Автор: Солодов Б.М.
Теги: астрономия ракетная техника космос полет в космос ракетостроение издательство самара
ISBN: 5-8011-0016-4
Год: 2004
Текст
Б. М. СОЛОДОВ
СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА
И ВОЗМОЖНОСТИ
ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
г. Самара
2004
Б. М. СОЛОДОВ
СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА
И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
г. Самара
2004
ББК 22.6
С-60
Солодов Б.М.
С-60 Солнечная плазма и возможности ее использования в космической
технике/Самара: ЗАО “Самарский информационный концерн”, 2004.
- 156 с.
ISBN 5-8011-0016-4
ББК 22.6
ISBN 5-8011-0016-4
© Солодов Б.М.,
2004
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время человечество вышло в космос. Однако
существующая техника весьма несовершенна, и дело дошло до того,
что актуальным стал вопрос о чистке космического пространства
вблизи Земли от мусора в виде обломков и фрагментов ракет и т.п. И
это одна из многих причин, чтобы, заглядывая в будущее, уже сейчас
искать экологически чистые способы движения космических аппаратов
и получения различных изотопов.
И в данной работе рассматриваются различные аспекты
использования солнечной плазмы и ее энергии, истекающей из
Солнца как в виде спокойного солнечного ветра, так и потока частиц и
плазмы после солнечных вспышек. Здесь проводится достаточно
грубая теоретическая оценка, порой идеализированная, что прежде
всего связано с отсутствием экспериментов с подобными
устройствами, пусть даже путем моделирования в земных условиях.
Однако даже такая грубая оценка представляет интерес, позволяя
определить уровень возможных параметров устройств, реализующих
процессы по использования солнечной плазмы. Причем
принципиально использование солнечной плазмы и ее энергии
позволяет создавать экологически чистые процессы и устройства,
которые могут найти применение в космической технике и в
космонавтике.
Также отметим, что еще в 1988 году зарубежными учеными была
выдвинута концепция использования энергии солнечного ветра в ка-
честве потенциального источника количества движения для космиче-
ских аппаратов [49], а в дальнейшем, например, разработан магни-
тный парус для лунных аппаратов [55], а ученые Вашингтонского уни-
верситета ведут разработку конструкции такого паруса [56].
Однако еще в 1960 году автор прочитал доклад «Перспективные
методы ускорения космических аппаратов» на тематическом заседании
«Космонавтика начала 21 столетия», проводившемся в рамках 15-х Чтений
памяти КЭ.Циолковского в г. Калуге, где рассмотрел возможности
применения плазмы солнечных вспышек, однако, к сожалению, этот доклад
не был опубликован. Также еще в 1981 году была подана заявка и получено
авторское свидетельство на изобретение по использованию плазмы
солнечных вспышек в качестве источника изотопов [36], опубликованное в
открытой печати в 90-х годах. Однако, к сожалению, главные заявки автора,
поданные еще в 1980-85 годах на предполагаемые изобретения по
использованию солнечной плазмы, были отвергнуты. К сожалению, тогда
патентное ведомство ВНИИГПЭ доказало свою роль «похоронной
команды» для пионерских изобретений и, не отрицая новизны и реальности
выполнения, по ряду субъективных и объективных причин отвергло пред-
ложенные идеи, отправило их на «кладбище» технических идей, то есть в
з
архив патентного ведомства. И в основном именно идеи тех заявок и
рассматриваются в этой работе, с небольшими дополнениями, Например,
разделу 1.1 соответствует [57], разделу 1.2- [58], [59], главе 3 - [60], главе 4
- [61], главе 5 - [36], главе 6 - [62], и ряд других заявок (из десятка), не
включенных в этот список,
И сейчас автор решил вернуться к своим старым идеям, которые, как
ни странно, практически ничуть не устарели вследствие вялого развития
космической техники, рассмотрев возможности использования солнечной
плазмы с учетом возросшего уровня техники,
Отметим, что здесь главной является система единиц СИ, и пара-
метры по ней специально не отмечаются. Однако в науке до сих пор часто
используют гауссовую систему единиц, и после некоторых колебаний, автор
решил оставить в главе 1 используемые классические зависимости из
первоисточников с указанием гауссовой системы единиц. И автор заранее
приносит извинения тем читателям, которые привыкли к использованию
только одной системы.
4
ГЛАВА 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СХЕМЫ УСКОРЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ СОЛНЕЧНЫМ ВЕТРОМ
Межпланетное пространство пронизано непрерывными потоками
солнечной плазмы, обычно называемой солнечным ветром. При этом
поток ветра изменяется в широких пределах, от концентрации 3-1 (Л/Г3
до 12-10® м"3 и более, а скорость от 300 км/с до 700 км/с, движущийся
в межпланетном магнитном поле с индукцией (l+IOJ^CI+IOJ-W® Тл,
при средней индукции 5+6-у. Такой разреженный поток обладает
низким давлением, уступающим, например, давлению солнечного
электромагнитного излучения. Однако поток плазмы энергично
взаимодействует с магнитным полем, которое при сравнительно
малых размерах источника магнитного поля может иметь большой
объем поля и большую площадь взаимодействия магнитного поля и
плазмы, практически недостижимые с помощью солнечных «парусов»
на электромагнитном излучении, В таких условиях сила тяги и другие
характеристики магнитного двигателя на солнечном ветре
превосходят параметры других типов двигателей, в том числе и на
солнечном электромагнитном, оптическом излучении. И именно
двигатели с использованием энергии потока плазмы солнечного ветра
и рассматриваются здесь.
1.1 ДВИГАТЕЛЬ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ОТРАЖЕНИЕМ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
Известно, что при создании магнитного поля диполем или витком
с током или вокруг катушки такое пространственное поле отражает
плазму, а частично плазма обтекает объем пространства, занятый
полем, например, магнитосферу Земли [1]. Поэтому принципиально
возможно создание силы тяги за счет давления солнечного ветра на
магнитное поле источника магнитного поля, магнита на борту
космического аппарата, далее - КА. При этом вектор индукции поля
перпендикулярен к вектору скорости солнечной плазмы, хотя в общем
случае он может быть направлен и под углом к вектору скорости
солнечной плазмы, а сам поток плазмы отражается магнитным
полем и обтекает область магнитного поля, создавая силу давления
на ускоряемый КА. Типичным образцом подобного взаимодействия
плазмы и магнитного поля является поле Земли с образованием
магнитосферы, куда резко ограничен доступ набегающей солнечной
плазме, и основная ее часть обтекает магнитосферу, создавая силу
давления на Землю, Принципиальная схема создания силы тяги
двигателем КА изображена на рис. 1.1., при этом поток плазмы сильно
5
деформирует, сжимает магнитное поле источника, изменяя
конфигурацию поля по сравнению с полем без давления плазмы.
Рис. 1.1. Схема ускорения КА
1 - ускоряемый КА; 2 - переходной крепежный элемент; 3_-
источник магнитного поля типа соленоида, с магнитным моментом М;
4 - поток солнечной плазмы.
Здесь вектора скорости ветра V и магнитного момента М
диполя перпендикулярны друг другу или достаточно близки к этому. И
при таком положении магнитного поля диполя из-за практически
идеальной проводимости солнечного ветра магнитные силовые линии
поля диполя не могут проникнуть в набегающий солнечный ветер и
образуют, в первом приближении, магнитную непроницаемую полость
около диполя, магнитосферу. При этом форма и габариты
магнитосферы определяются балансом динамического давления
солнечного ветра и давления магнитного поля диполя [2]:
о 1 2М 9
2 n тр У2=-!- (^)2;(СГС), (1.1)
U3
где M-дипольный магнитный момент;
D3 - расстояние от центра диполя до точки равенства баланса;
п - концентрация протонов, см"3;
V- скорость протонов, см/с. Принимаем за основу движение КА в
среднем солнечном ветре [3] с концентрацией плазмы и протонов
величиной п=107м"3=10см"3 при скорости плазмы и протонов V=400
км/с=4-107 см/с. Подставляя данные в формулу (1.1), получаем
численную зависимость:
D3 = 12 Ш;(СГС), (1.2)
Рассмотрим и оценим несколько вариантов магнитных систем и
характеристики двигателей на их основе. Для витка с током [4] поле в
его центре
6
нмо==4~. и J = 2 rM HM0; (1.3)
zrM
где J - эквивалентный ток витка с радиусом гм, или
J=co- JB
где со - число витков с током в витке JB. Для диполя НМ=НМО1 поле
диполя. Магнитный момент диполя определяется из равенства
магнитному моменту витка с током.
M=J-Sm=k-rM2-J, А-м2, (1.4)
где SM - площадь контура витка с током, равная ягм2. Для
выбранных параметров солнечного ветра давление плазмы
рг=2,67 10"® Н/м2. И отсюда получается полное давление плазмы
р„=яОэ2рь (1-5)
а динамическое давление солнечного ветра удваивается
благодаря его идеальному отражению от границы, что позволяет
получить идеальную силу тяги такого двигателя
R=2-pn; (1.6)
Результаты расчетов систем приведены в таблице 1.1.
Параметры магнитных систем двигателя КА
Таблица 1.1.
№ вари анта магнитный диполь, виток с током
Гм м Нм А/м 2 СО к» J А М А-м2 D3 м R Н
1 10 105 314,1 2-10® 6,28-10® 1,02-103 0,0174
2 16 2,44-Ю4 804,2 7,81-105
3 40 1.56103 5027 1,248-105
4 10 10° 314,1 2-107 6,28-10® 2,21 103 0,082
5 16 2,4410s 804,2 7,81 10®
6 40 1.56 104 5027 1.248-10®
7 100 103 31410 2-105
8 100 104 31410 2-10® 6,28-Ю10 4,76-103 0,38
9 160 2,44-103 80420 7,81 10s
10 316 316 3,136-105 2-10s
11 100 10® 31410 2107 6.28-1011 1,02-104 1,744
12 316 3,16 10э 3,13610s 210®
13 500 800 7.852-105 810s
14 10s 100 3,141-10® 2-10s
15 103 104 3,141-10® 2-Ю7 6,28-Ю13 4,77-Ю4 38,16
7
Двигатели на основе таких магнитных систем вполне возможно
применять в космической технике, обеспечивая экологически чистое
ускорение КА при длительной работе двигателя.
К числу недостатков таких двигателей относится сложность
маневрирования ускоряемого КА из-за невозможности свободного
регулирования вектора создаваемой силы тяги. И фактически здесь
возможен лишь полет КА по прямой с небольшим отклонением
траектории за счет ограниченного изменения параметров поля
диполя. Кроме того, представляет большой интерес и возможность
дальнейшего повышения силы тяги подобных двигателей на основе
магнитных систем.
1.2 ДВИГАТЕЛЬ С ЗАХВАТОМ ПЛАЗМЫ И ЕЕ ОТРАЖЕНИЕМ
ОТ ДИФФУЗОРА
Известно и такое взаимодействие магнитного поля с плазмой, где
плазма захватывается магнитным полем, например, специально осуществ-
ляемый сбор межпланетной плазмы магнитным диффузором и подачу
плазмы на разгоняющее устройство, откуда она истекает с большой скорос-
тью [5]. Однако такой диффузор не может отражать плазму своим полем и,
соответственно, не может непосредственно использовать энергию плазмы.
Но зато такой диффузор с его конфигурацией поля позволяет
осуществлять захват ионов плазмы с большой площади, а это позволяет
соответственно увеличить массу захваченной плазмы и потенциальную
возможность увеличения силы тяги двигателя.
Здесь рассмотрим схему ускорения КА, в которой поток солнечной
плазмы собирают магнитным полем диффузора, а затем перед
диффузором накладывают дополнительное магнитное поле, например,
системой магнитов, которыми отражают плазму из диффузора. Причем
поток плазмы направляют в фокус системы магнитов, размещенный вне
диффузора на его оси, откуда плазма и истекает в пространство.
В данной схеме ускорения поток солнечной плазмы, солнечный ветер
взаимодействует с магнитным полем диффузора и дрейфует по магнитным
силовым линиям этого поля, попадая к диффузору, где отражается полем
системы магнитов и истекает в пространство, а создаваемая потоком
плазмы солнечного ветра сила давления и является силой тяги для КА,
ускоряя его. При этом сама система магнитов может изменять свое
положение относительно оси диффузора, что позволяет воздействовать на
направление истечения отраженной плазмы, и, соответственно, на вектор
создаваемой силы тяги двигателя.
8
Рис. 1.2. Схема ускорения КА
1 - ускоряемый КА; 2 - магнитный диффузор с магнитным
моментом М; 3 - система магнитов с магнитными моментами Мм; 4 -
поток солнечной плазмы.
В обычном магнитном диффузоре плазма свободно проходит через
него и истекает дальше в пространство, что, в_частности, обеспечивается
направлением вектора магнитного момента М диффузора параллельно
вектору скорости ветра V. Здесь же перед диффузором, а в пределе -
внутри диффузора, устанавливают устройство дополнительного магнитного
поля для отражения плазмы от диффузора. При этом главная особенность
подобной конструкции: устройство состоит из системы малых магнитов, из
множества постоянных магнитов или соленоидов, и каждый из них по
размеру на четыре-шесть порядков меньше радиуса диффузора, а это
обеспечивает ничтожное поле вдали от системы малых магнитов. Тем
самым имеем узкую область в пространстве^ где расположено поле малых
магнитов,_у которых магнитные моменты Мм близки к перпендикуляру к
вектору М, и эти моменты Мм множества магнитов смыкаются, образуя
непроницаемую для плазмы область с большим градиентом магнитного
поля АН. И захват обеспечивается только полем диффузора, но оно не
влияет на отражение плазмы системой малых магнитов, так как эти малые
магниты имеют индукцию поля больше, чем у диффузора, а вектор Мм не
совпадает с направлением вектора М.
Дополнительным фактором повышения работоспособности двигателя
является направление отраженной плазмы в центральную область по оси
диффузора, своеобразный плазменный фокус системы магнитов,
размещенный вне диффузора. При этом в фокусе повышается концентрация
плазмы, причем по оси диффузора и магнитное поле слабее в 2+3 раза, чем
непосредственно вблизи витков диффузора, поэтому намагниченность плаз-
мы в фокусе уменьшается, и она свободнее и легче истекает по оси в
9
пространство, а не возвращается по силовым линиям магнитного поля
диффузора в космическое пространство. Для реализации подобного
движения плазмы возможны разные физические методы и конструкции, и
представляется, что наиболее простым является применение изогнутой
поверхности системы магнитов или изменение вектора индукции в системе
магнитов в зависимости от расстояния от оси диффузора. Такая система
магнитов в принципе должна обеспечить направление поступления плазмы к
области фокуса. Конечно, такая система магнитов позволит лишь части
плазмы сконцентрироваться в области фокуса и истечь через область вокруг
оси диффузора, а другая часть плазмы после отражения от этой системы
магнитов все-таки уйдет по магнитным силовым линиям поля диффузора в
космическое пространство. Однако здесь главное в том, что, изменяя
положение отдельных участков системы магнитов относительно оси
диффузора, можно изменить и вектор получаемой силы тяги, то есть пусть и в
ограниченных пределах, позволяет регулировать направление движения
ускоряемого КА. Конечно, только реальные эксперименты позволят получить
зависимости вектора силы тяги от положения участков системы магнитов.
Рассмотрим основные характеристики подобных двигателей. Здесь
принимаем за основу движение КА в среднем солнечном ветре с
параметрами как и в разделе 1.1, где плазма имеет концентрацию п=107 м‘
3 при скорости V=400 км/с для плазмы и ионов, при температуре
электронов Те = 1,3-Ю^К. Тогда при массе протона гпо^ТбУ-Ю27 кг имеем
давление потока плазмы рг=2,67-10* Н/м2.
Такой поток плазмы концентрируется магнитным полем диффузора, а
площадь массозаборника определяется радиусом магнита гм и
напряженностью магнитного поля магнита - диффузора Нм, а
распространение магнитного поля в пространстве в дипольном
приближении [5] оценивается по зависимости
<17>
где Нп - напряженность магнитного поля в пространстве на пространст-
венном радиусе гп, в плоскости витков магнита. Учитывая необходимость
превышения магнитного поля диффузора в пространстве Нп над
космическим межпланетным магнитным полем Н^КГ+бЮ-3 А/м для
среднего солнечного ветра, принимаем критическое поле для захвата
солнечной плазмы равным = 10"2 А/м. При этом пространственное
магнитное поле, захватывающее плазму, имеет радиус гп и площадь
Sn=n- Гп2, (1.8)
и величина этого захватывающего поля на несколько порядков больше
площади магнита, равной SM = я-гм2, согласно зависимости (1.4).
При захвате плазмы идеальное полное давление плазмы составляет
Pu = SnPh (1.9)
ю
а в случае идеального отражения сила тяги такого двигателя согласно (1.6)
равна Ru = 2 рь. При движении плазмы в магнитном поле диффузора
происходит повышение концентрации плазмы, а средняя концентрация
плазмы в плоскости витков диффузора, без учета неравномерности
распределения плазмы по сечению, в первом приближении
n^nS^; (1.10)
при этом среднее давление плазмы в диффузоре
P^Pp-Sh/Sm; (1.11)
Результаты расчетов магнитных полей приведены в таблице 1.2.
Параметры магнитных систем и силы тяги двигателя
Таблица 1.2.
№ вари анта Маг. диффузор Поле Плазма Ru Н
Гм м Нм А/м S„ м2 Гп КМ Sn км2 пг3 м Ргм Н/м2
1 10 10® 314,1 2,16 14,65 4,66-1011 1,24-Ю4 0,078
2 12,6 5-104 498,7 2,16 14,65 2,94-Ю11 7,84-10-® 0,0788
3 10 10® . .. .ц 314,1 4,64 67,7 2,15 Ю14 5,74-Ю4 0,360
4 40 1,56-104 5027 4,64 67,7 1,35-10" 3,6910-® 0,360
5 100 10® 3,1-104 4,64 67,7 2,15-Ю10 5,7410-® 0,360
6 100 104 3.1 104 10 314,1 10" 2.67-10-® 1,676
7 126 510® 5104 10 314,1 6,3-1010 1,6810* 1,676
8 160 2.44-103 8104 10 314,1 3,91 Ю10 1,04-10-® 1,676
9 316 316 3,1 105 10 314,1 Ю10 2,67-10-® 1,676
10 100 10’ 3,1-104 21,5 1457 4,64-10" 1,24-Ю-4 7,778
11 316 3,1610’ 3,1-10s 21,5 1457 4,641О10 1,24-10-® 7,778
12 500 800 7,8-10s 21,5 1457 1,85-Ю10 4,96-Ю® 7,778
13 100 100 3.1 10е 21,5 1457 4.6410® 1.24-10* 7,778
14 1(7 104 3,1 10е 100 3,141-Ю4 10" 2,67-10-® 167,6
Итак, в зависимости от параметров диффузора двигатель с
захватом и отражением потока плазмы среднего солнечного ветра
создает силу тяги от долей ньютона до единиц и сотен ньютонов.
Для отражения плазмы от диффузора давление
дополнительного магнитного поля системы магнитов рмд должно
превышать давление плазмы
Рмд=Цу->Ргм;идн> (1.12)
Подставляя данные, приведенные в таблице 1.2., получаем, что
и
в зависимости от величины ргм = 1,238-10’в+5,74-10'4 Н/м2 требуемое
ДН>1,4+30 А/м соответственно. При этом с учетом запаса на различ-
ные отклонения, например, на неравномерность распределения
плазмы по сечению диффузора и т.п. факторы, АН значительно выше,
в 4+5 раз, а то и более. При этом в зависимости от выбираемых
параметров системы малых магнитов и радиуса диффузора
количество малых магнитов от тысяч до многих миллионов штук.
Оценим энергетические соотношения плазмы и диффузора.
Секундный расход плазмы солнечного ветра тс и его кинетическая
энергия, точнее, мощность \Л/С равны
mc=pc- Sn V=n то1 Sn V; (1.13)
Wc=mcV2/2; (1.14)
Индуктивность диффузора как одиночного сверхпроводящего
кругового витка оценивается, как и для нормального проводника [35]:
L = norM(ln^-X75); (1.15)
а
где d - радиус сечения проводника, определяемый плотностью
тока по сверхпроводнику, принимаемой здесь равной ~109А/м2, и
током J. И тогда получаем электромагнитную энергию поля витка
WM=0,5LJ2; (1.16)
где параметры эквивалентного тока J определяются
зависимостью по (1.3) и данными таблицы 1.1. Данные расчета
приведены в таблице 1.3.
Объемная плотность энергии магнитного поля для вакуума:
ю^О.бц^Н2, (1.17)
и для межпланетного магнитного поля на орбите Земли со средним
значением Нк = 5-1 О'3 А/м имеем С0щ = 1,57-10’11 Дж/м3, при этом
мощность такого поля, проходящего через радиус захвата плазмы гп
вместе с плазмой, составляет
WnK= (om-Sn V; (1.18)
и отсюда получаем средний уровень величины энергии магнитного
поля в захватываемой плазме, также приведенный в таблице 1.3.
Таблица 1.3.
№ ва ри ант а Гм м Нм А/м Гп КМ тс кг/с Wc кВт J МА L Гн WM МДж Вт
1 10 10э 2,16 9,7010е 7,83 2,0 7,9310® 158 92
2 12,6 5,0 104 2,16 9,79-10* 7,83 1,25 1,07-Ю4 83,6 92
3 10 10е 4,64 4.52107 36,1 20 6,48-10® 12960 425
12
4 40 1,56-104 4,64 452-10Г7 36,1 1,25 3.98-104 311 425
5 100 103 4,64 4,52-Ю7 36,1 0,2 1,22-10° 24,4 425
6 100 104 10 2110е 168 2.0 1.08-10° 2160 1970
7 126 5103 10 2110е 168 1,25 1,43-10° 1120 1970
8 160 2,44-103 10 2110е 168 0,78 1,92-10° 584 1970
9 316 316 10 2110е 168 0,2 4,3310° 86,6 1970
10 100 ю5 21,5 9,7410е 779 20 9,37104 1,87-105 9140
11 316 3,16103 21,5 9,7410е 779 2,0 387-10° 7740 9140
12 500 800 21,5 9,7410е 779 0,8 6,71-10° 2150 9140
13 1000 100 21,5 9.7410е 779 0.2 1.51-10е 302 9140
14 1000 ю4 100 21104 16.8-103 20 1,2310е 2,46-10е 1,97-10?
Рассматривая результаты расчетов по таблице 1.3., видим, что,
несмотря на оценочный характер расчетов, во всех вариантах
выполняется условие WM»WC, то есть магнитное поле обладает
достаточной энергией для захвата плазмы или ее отражения.
Подчеркнем, что само магнитное поле диффузора практически не
меняется во времени, стационарно, так как при движении проводящей
плазмы, к которой относится и солнечный ветер, в магнитном поле
энергия поля практически не меняется, причем и при сжатии плазмы
вдоль поля диффузора напряженность поля и магнитное давление не
меняются. Хотя в общем случае возможно увеличить энергию
магнитного поля за счет уменьшения кинетической энергии плазмы, по
крайней мере для космических полей [6], поэтому в первом
приближении можно пренебречь изменением поля диффузора. Тем
самым магнитное поле изменяет вектор скорости и направления
движения частиц плазмы без существенного изменения абсолютной
скорости и энергии плазмы. При более точной оценке взаимодействия
солнечного ветра необходим учет и пересоединения магнитных
силовых линий поля диффузора и межпланетного поля в ветре с
возможной аннигиляцией полей, однако здесь выполняется условие
для этих полей \Л/м»\/\/пк, поэтому для проводимых здесь оценок
можно пренебречь этим эффектом.
Из результатов расчетов в таблице 1.3. также видно, что
наиболее перспективно применение диффузоров больших размеров,
обеспечивающих значительное уменьшение закачиваемой в
диффузор энергии магнитного поля и силы тока при одинаковом
магнитном моменте. Сам уровень энергии магнитов вполне
соответствует современному уровню техники.
13
1.3 ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ С ПОЛЕМ
ДИФФУЗОРА
Рассмотрим подробнее физику взаимодействия магнитного поля
диффузора с плазмой.
Диффузор представляет собой короткий соленоид, катушку, в
силу больших размеров соответствующий модели тонкого кольцевого
витка, для которого распространение магнитного поля описывается
общей зависимостью [7], с учетом принятых здесь обозначений,
имеющих вид системы уравнений
2 2 2
r^+r^+z*
(Гм-Гп^ + гп
2 2 2
Гм “Tn ~Zn
R -
Вг"^Г
• Е(Ю-
-К(к) •
zn
• E(k)- 2 2
L (rM-rn) +*n
+ К(к)
1, (1.19)
•M+rn)2+Z^
R Ио '
К 2 _4 гм -гп
(ГМ+Гп)2 + 2п
где Zn - расстояние по оси z до рассматриваемой точки;
К(к) и Е(к) - полные эллиптические интегралы соответственно
первого и второго рода с модулем к;
J=JB (o, эквивалентный ток, равный МДС катушки с количеством
витков со, обтекаемыми током JB;
гп - расстояние по оси г до рассматриваемой точки. Для радиуса
захвата плазмы гп, расположенного в плоскости витка с Zn = О,
выражение упрощается:
Вг =0
• Bz = ^9-^ E(k) +K(k) —?— = А; (1.20)
2” [ (Гм-Гп)2 'Ъ“+Г" 2*
^2 _ 4 • Гм • гп
(Гм+Гп)2
При этом отношение пространственного поля к полю в центре
витка по зависимости (1.3) равно
Bzn_= Hzn^fM.* (1.21)
Вмо НМо я
Расчет по зависимостям (1.19)-(1.21) является достаточно
точным, однако весьма громоздким. Однако имеется и дипольная
14
модель витка с током и его поля вдали от диполя, причем зависимости
[4] значительно проще, и с учетом принятых обозначений имеют вид
u М•cos 0
мг-------ч--
2-яг3
u MsinO
IН 1= Г~' ‘ V3cos20 + 1;
4 я г3
где М - магнитный момент диполя согласно (1.4);
г - радиус расстояния от центра диполя до рассматриваемой
точки; _ _
0 - угол между плоскостью диполя с М и радиусом г.
Для радиуса захвата плазмы гп, расположенного в плоскости вит-
ка с 0=0, выражение упрощается:
r2J
нп = ^; О»)
2 г3
При этом отношение Нп к полю в центре витка Нмо соответствует
зависимости
Н
7?*-=%; (1-24)
нмо Гп
и в частности, из этого выражения и следует использовавшаяся ранее
зависимость (1.7). Для примера приведем в таблице 1.4. сопоставление
рассчитанного радиуса захвата плазмы пространственным полем гп по
модели тонкого кольцевого витка и модели магнитного диполя. Из сра-
внения результатов видно, что они достаточно близки и одного порядка, и
что вполне достаточно для проведения оценочных расчетов и модели
магнитного диполя как наиболее простой в расчетах. Хотя, безусловно,
будущие точные эксперименты надежно определят, какая расчетная
модель ближе к реальности для таких магнитных систем.
Таблица 1.4.
радиус магнита гм = 10 м, гп = 2,18103 м
тонкий кольцевой виток магнитный диполь
Гп м А Нмо А/м Hnl А/м Нп А/м
1000 3000 36,6310® 3.72010® 10s 10s 0,1166 0,01184 0,10 0,0037
радиус магнита гм = 100 м, rn = 104 м = 1( D км
10000 12000 2,97-10® 0,09010-® ю4 ю4 0,0094 0,0029 0,01 0,0058
15
Рис. 1.3. Схема магнитного поля диффузора
1 - диффузор; 2 - магнитные силовые линии поля диффузора.
При этом для магнитного поля диффузора согласно рис. 1.3.
максимальные величины Вг и Нг в плоскости витка в 2 раза больше
максимальных величин Ве и Не по оси витка вследствие зависимости В
и Н от угла 0 согласно (1.22), то есть магнитное поле геометрически
вытянуто относительно оси витка, и получается фигура, близкая к
эллипсу. При этом величина Нпк = Ю'2 А/м достигается на радиусе гп в
плоскости витка и на расстоянии h = 0,79 гп по оси витка и по оси z.
Кроме того, внутри витка с током минимальное поле на оси витка, и
поле возрастает по мере приближения к самому витку, и это
увеличение поля достигает 2+4 раз вблизи витка или витков диф-
фузора, что не учитывает, в частности, модель диполя. И для плазмы
с идеальной проводимостью такое поле является своеобразной
"воронкой", где более сильное поле на периферии у витков толкает
плазму в сторону более слабого магнитного поля на оси витка.
Для модели плазмы как отдельно движущихся ионов и
электронов, в пренебрежении коллективности взаимодействия, такое
магнитное поле диффузора воздействует на ионы и электроны
солнечной плазмы, захватывая и отнимая их от космического
межпланетного поля Нк = (1+6)-10’3 А/м при среднем Нк = 5-1 О’3 А/м.
При этом величина Нк < Нпк = Ю’2 А/м, что и позволяет влиять на
движение плазмы магнитным полем диффузора. Отметим, что
принципиально в случае необходимости, например, по результатам
экспериментальных исследований в космосе, величина Нпк может
быть повышена для гарантированного захвата плазмы ветра, однако
при этом падает радиус захватываемой плазмы гп, что нежелательно.
Рассмотрим плазму солнечного ветра со средними параметрами
и ее модель поведения при концентрации ионов и электронов П|=пе=Ю
см’3 = 107 м3, при скорости плазмы и протонов V=400 км/с, тем-
16
пературе электронов Те=1,3-105 К. Для плазмы радиус экранирования
Дебая [8]:
Где = 7 • см (СГС), (1.25)
и для выбранных параметров солнечной плазмы имеем где = 800
см = 8 м на радиусе захвата плазмы гп (во всех вариантах систем), а
для диффузора с пм = 4,6 103+2,15 10е см"3 величина где = 40+1,7
см=0,4+0,017 м. Для такой плазмы среднее расстояние между
частицами гср = 1/п1/3 и Гср«где. Также произведение П.Гдв3»1,
следовательно энергия кулоновского взаимодействия частиц
существенно меньше энергии теплового движения, приходящейся на
отдельную частицу. Это произведение также показывает, что в
солнечном ветре проявляется коллективность плазменных процессов,
а взаимодействие электронов образует общее поле, управляющее их
движением. И квазинейтральность такой плазмы нарушается только в
пределах объемов, размер которых меньше дебаевского радиуса
экранирования. Плазму в таких условиях можно считать идеальной и
близкой к идеальному газу.
Здесь радиус захвата плазмы гп » где. В такой плазме резкое
нарушение квазинейтральности приводит к тому, что избыточные
заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между П| и
пв, создают электрические поля, достаточные для выравнивания
квазинейтральности. А радиус Дебая и характеризует условия, в
которых квазинейтральность плазмы сохраняется, характеризуя
пространственный масштаб декомпенсации заряда.
В магнитном поле диффузора соотношение теплового давления
частиц и давления магнитного поля [9]
р = 8д К ]е ni; (СГС) (1.26)
Во2
где к=1,38Ю"16 эрг/град, постоянная Больцмана, и для
магнитного поля Во, соответствующего захвату плазмы с НПк=10"2 А/м,
имеем величину Во=Впк=1,28-10"8Тл = 1,2-Ю"4 Гс, и для П|=пе=107 м"3
получаем величину р=0,28<1. При этом величина 3 быстро падает при
росте магнитного поля по мере движения к диффузору, и для поля Нм
имеем ВО=ВМ, например, для Нм=316 А/м и гм=316 м имеем величину
П|=пм=1О10 м"3 и получаем р=10“7«1. Поэтому вблизи диффузора
плазма с р«1 является холодной и низкого давления, а на радиусе
захвата плазма почти холодная и низкого давления, то есть в первом
приближении и там холодная плазма. А в холодной плазме,
находящейся в магнитном поле, можно пренебречь тепловым
движением частиц, и их движение определяет магнитное поле.
Оценим замагниченность плазмы.
17
Частота электронно-ионных столкновений в идеальной плазме
vd=5,5 ni Л Тв'3/2; (СГС) (1.27)
где А«1п(200 Те/п.°’5)«15,9, кулоновский логарифм, и для плазмы
на радиусе захвата плазмы с П|=107 м"3 получаем vei=6,7-10'5 Гц. Час-
тота обращения в магнитном поле частиц составляет для электронов
и ионов водорода
Г (Оне=ибЮ7 Н; (Гц), (СГС) (1.28)
t (0Hi=0,96-104H; (Гц), (СГС)
где Н=НПк=10"2 А/м = 1,261 О'4 э, и отсюда получаем, что величины
(0не=2,2 Ю3»у« и (Ой « 1,2 » Vei. Значит, плазма является
замагниченной [2]. Впрочем, более часто для оценки замагниченности
плазмы используют условие меры замагниченности
(0нИе-%1»1, (1.29)
где тт - среднее время между двумя столкновениями [8]:
тт ~ 4,5-10‘2-Тв15/п, сек (СГС), (1.30)
отсюда получаем тт = 2,1-107 с. Сразу отметим, что средняя длина
свободного пробега
Xei« 4,5-105 Те2/пЛ « 3-104-Те2/п, см (СГС), (1.31)
и отсюда получаем Хц = 5-1013 см=5-1011 м. При этом мера
замагниченности электронов (онвтт=4,6-1010»1, а протонов
(ОнгТт=2,5-107»1.
То есть здесь плазма в поле диффузора "замагничена" и частицы
оказываются как бы привязанными к силовым линиям поля. Также отметим,
что полученные значения соне-т и вполне соответствуют замагниченной
плазме, используемой в настоящее время в технике [8]. Отметим, что
принципиально возможна и такая ситуация, когда электроны замагничены и
свободно перемещаются только вдоль силовых линий поля, а на движение
ионов магнитное поле само по себе заметного влияния не оказывает. В
этом случае электроны будут привязаны к магнитному полю, а ионы будут
удерживаться в той же области пространства электрическим полем,
создаваемым электронной компонентой плазмы |8].
Отметим, что большая величина средней длины свободного пробега
X«j и время тт также позволяют определить плазму солнечного ветра как
очень разреженный газ из ионов и электронов, причем это холодный газ,
где определяющее значение имеет магнитное поле диффузора, а тепловое
движение частиц относительно мало, и, по крайней мере, на пути от
радиуса захвата плазмы до диффузора им вполне можно и пренебречь.
Оценим в первом приближении порядок ларморовского радиуса
кривизны гл и шага винта hn для частиц при вращении в однородном
магнитном поле
г = — — sina,;h = cos а, (1.32)
л ВИ В|е|
18
(1.33)
где а - угол между векторами скорости частицы V и магнитной
индукцией поля В, например, диффузора, при движении частицы с
массой m и элементарным зарядом электрона е.
Отметим, что движение частиц в дипольном поле можно выразить и
другой зависимостью, через магнитный момент диполя М:
с =
* Н/т-т-Г’
где с* - радиус Штермера, или радиус круговой орбиты частицы в
экваториальной плоскости.
Для электронов с Те = 1,3-Ю5 К при максвелловском распределении
средняя скорость теплового движения электронов VTe = 2,43-10? м/с, и
отсюда получаем величины г^ = 13,82-1Q6-sina/Bn и для шага винта
ee^-IO^-cosa/Bn, и на радиусе захвата с Н,* = 10"2 А/м получаем Гл© =
1096-sina и Иле = 6888-cosa. Тогда имеем максимальное значение Гле = 1096
м при hne = 0 или максимальное значение шага для Иле = 6888 м при г^ = 0, а
для среднего промежуточного значения а=45° имеем г™ = 775 м и h™ = 4870
м.
Для протонов получаем = S.S ICf sina и Ь^= г.ТК^-соза, то есть
максимальные значения rrt = 3,3105 м = 330 км при hn)= 0 или hrt=2,1 10? м =
2100 км при Гл = 0 или среднее значение при а=45° с гЛ|=233 км и 1^=1480
км.
Естественно, это грубая оценка уровня гл и hn так как в
реальности движение происходит в неоднородном аксиально-
симметричном поле, магнитная индукция которого возрастает в
направлении движения частицы, при этом радиус витков и шаг винта
уменьшаются по мере увеличения магнитной индукции. Однако и эта
оценка позволяет увидеть, что протоны имеют величины гЛ| и hn)
значительно больше радиуса захвата плазмы гп, и они могли бы и «не
заметить» на своем пути магнитное поле диффузора, но для
электронов величины глв и hne многократно меньше величины гп. И
здесь именно случай захвата электронов магнитным полем
диффузора, причем их мера замагниченности по (1.29) (оНе Тт очень
высокая, гарантирующая захват и удержание электронов полем. И
лишь сами электроны, их электрическое поле удерживает и увлекает
за собой в диффузор поток протонов плазмы, находящихся в объеме
захватываемых электронов.
Заметим, что при смещении электронов плазмы относительно ионов
возникает электростатическая сила, стремящаяся вернуть их в положение
равновесия. Коллективность плазменных процессов приводит к тому, что в
колебаниях сразу примет участие много электронов, вызывающих
появление электростатических колебаний на ленгмюровской частоте соье и
даже ленгмюровских волн. Для плазмы на радиусе захвата гп с концен-
19
трацией п=107 м"3 сйое=1,85Ю5, причем a>oe»<Ohe=2,2-1O3, и при этом
магнитное поле не влияет существенно на свойства ленгмюровских волн
[2]. Возникает и еще целый ряд видов волн, например, альвеновская и т.п.
Очевидно, что здесь диффузор является ’’толстой" магнитной линзой,
в которой магнитное поле сильно меняется на расстоянии, малом по
сравнению с радиусом кривизны траектории, при этом траектория частицы,
входящей в такую линзу, испытывает резкий перелом на небольшом
участке линзы. Здесь диффузор - это короткий соленоид или даже виток с
током, катушка, так называемая магнитная линза с аксиально-
симметричным полем, которое собирает частицы, ибо рассеивающей
магнитной линзы, по крайней мере - такой конструкции, просто не
существует [8].
Подчеркнем, что речь идет о варианте размещения катушки
диффузора таким образом, чтобы ось катушки примерно совпадала с осью,
направлением движения потока плазмы, или, иначе, чтобы поток солнечной
плазмы двигался по оси катушки диффузора. Захвату плазмы способствует
и применение диффузора больших диаметров с малыми полями, в которых
градиент магнитного поля от радиуса захвата гп до плоскости диффузора
очень мал, dH/dr«1 А/м, ни в коей мере не позволяя реализовать условие
по (1.12) для отражения плазмы.
Такое поле диффузора резко отличается от обычно
рассматриваемых полей диполя, в которых выполняется адиабатический
инвариант и радиус кривизны траектории значительно меньше размеров
области, в пределах которой вектор напряженности поля заметно меняется
по величине или направлению. К таким протяженным полям относится и
магнитное поле Земли, причем его поле как поле магнитного диполя
достаточно близко к перпендикуляру к вектору потока солнечной плазмы,
причем поле Земли обеспечивает и тысячекратный запас по полю отно-
сительно радиуса траектории даже для космических лучей с высокой
энергией. Естественно, и здесь если ось диффузора будет
перпендикулярна оси потока плазмы, то она будет отражаться и обтекать
магнитное поле диффузора согласно рис. 1.1.
Итак, для модели разреженной плазмы с параметрами ионов и
электронов солнечного ветра магнитное поле диффузора позволяет
уверенно удерживать электроны, а с их помощью - и ионы,
обеспечивая движение плазмы к диффузору. Однако главная
проблема - обеспечить захват плазмы магнитным полем диполя.
Рассмотрим взаимодействие реальной плазмы с магнитным
полем диполя. Известно, что взаимодействие и движение отдельных
заряженных частиц в поле диполя рассчитывается о помощью теории
Штермера. Однако эта теория не годится для описания
взаимодействия плазмы с полем диполя. Например, протоны и
электроны солнечного ветра могут достигать геоцентрических
20
расстояний порядка 10 земных радиусов в экваториальной плоскости
Земли как магнитного диполя, тогда как одиночные протоны с
энергией 1 кэв не могут подходить по теории ближе чем на 200
земных радиусов, а для электронов это расстояние еще больше, и это
объясняется коллективными взаимодействиями в плазме при
совместном движении ионов и электронов [10].
Рассмотрим взаимодействие солнечной плазма с магнитным
полем диполя на примере Земли согласно [11].
Вокруг магнитного поля диполя, взаимодействующего с солнечным
ветром, возникает магнитопауза - область резкого изменения направления
и интенсивности магнитного поля от значения магнитосферы вокруг диполя,
здесь соответствующего уровню НтНО*2 А/м, до значения межпланетного
магнитного поля (ММП) в переходной области. Магнитопауза представляет
собой токовый слой. Механизм взаимодействия солнечного ветра с
магнитосферой диполя определяется двумя противоположными по своему
направлению и тесно связанными процессами: 1) торможением солнечного
ветра и увеличением магнитного поля в переходной области вблизи
магнитопаузы; 2) пересоединением силовых линий магнитного поля диполя
и солнечного ветра на магнитопаузе, сопровождаемым ускорением и
разогревом плазмы. Первый из этих процессов сопровождается переходом
кинетической энергии в магнитную, тогда как в ходе второго происходит
высвобождение магнитной энергии и ее превращение в кинетическую и
тепловую энергии плазмы. Чрезвычайная неоднородность и изменчивость
параметров плазмы и магнитного поля в переходной области делают
процесс пересоединения на магнитопаузе существенно нестационарным.
Отметим, что в случае магнитного поля Земли вектор его диполя
направлен почти перпендикулярно вектору скорости движения солнечного
ветра, что приводит к экранированию магнитосферы Земли от
проникновения в нее поля солнечного ветра. Однако и здесь, в случае если
вектор ММП начинает отклоняться от чисто северного направления, при
|0|>|0кр| скачок магнитного поля на магнитопаузе превышает критический
уровень, экранировка ММП на магнитопаузе делается невозможной и
течение переходит в режим обтекания с поперечной застойной линией и с
пересоединением магнитных полей ветра и Земли. При этом на
магнитопаузе появляется нормальная компонента магнитного поля и
тангенциальная компонента электрического, то есть магнитосфера
переходит в «открытое» состояние. Это выражается, в частности, в каспах -
областях плазмы, подходящих к магнитному полюсу Земли.
Общая концепция взаимодействия высокопроводящей плазмы с
магнитным полем включает несколько стадий. На первой стадии
эволюции таких систем можно считать выполненным свойство
вмороженности магнитных силовых линий в плазму. При наличии
неоднородных движений происходит растяжение магнитных силовых
21
линий, особенно сильное вблизи сингулярности В=0 (а также V=0).
Это слабые места в плазме, и процессы, протекающие здесь,
являются определяющими для всей последующей эволюции системы.
На месте сингулярности развиваются токовые слои, они со временем
усиливаются, и в конце концов достигается порог развития некоторой
плазменной неустойчивости. С этого момента начинается
пересоединение магнитных силовых линий, которое представляет
собой процесс Петчека с образованием бегущих ударных волн. А при
движении высокопроводящей плазмы в магнитном поле линии и точки
В=0 и V=0 играют роль барьеров, которые магнитные силовые линии
не могут преодолеть, не разорвавшись. Разрыв магнитных силовых
линий, который позволяет двигаться плазме в соответствии с
граничными условиями, - это и есть процесс пересоединения. И этот
процесс инициируется и почти полностью определяется локальными
свойствами плазмы в области пересоединения: ее проводимостью,
плотностью, температурой, а также интенсивностью электрического и
магнитного полей. Причем пересоединение силовых линий магнитного
поля возможно при любой сколь угодно большой проводимости
плазмы и при произвольном скачке параметров плазмы и магнитного
поля по обе стороны пересоединения. Отметим, что различают
стационарное и спонтанное пересоединения, отличающиеся рядом
физических особенностей.
Процесс пересоединения очень сложен, так как в нем
появляются вихревое электрическое поле, конвекция плазмы и
возмущение магнитного поля. Для их нахождения приходится
вычислять интегралы, которые берутся лишь для самых простых
случаев, причем формулы получаются очень громоздкими. Поэтому
известные упрощенные модели Петчека или Паркера и других дают
лишь правильную качественную картину, однако расчеты по ним дают
расхождение с экспериментальными данными в несколько раз.
Рассмотрим известную ^/юдель открытой магнитосферы Земли и
ММП для диполя_с полем Bd, помещенного в однородное внешнее
магнитное поле Вв (разработанная Nishida, 1971, Stern, 1973, а также
Данжи), где конфигурация силовых линий магнитного поля получается
путем простого сложения Bd и Вв, представленную на рис, 1.4.
22
Рис. 1.4. Конфигурация силовых линий магнитного поля диполя
в открытой модели магнитосферы
Все пространство вокруг диполя можно разделить на 4 области:
I - область замкнутых силовых линий магнитного поля, обоими
своими концами опирающихся на диполь. Эта область является
замкнутой и ограничена некоторой квазитороидальной поверхностью
о, пересекающейся с поверхностью диполя вдоль границ полюсов. На
этой поверхности имеются в общем случае две нейтральные точки
(точки А и В на рис. 1.4.,), где В = Bd + Вв = 0.
II - область силовых линий солнечного ветра, не
пересоединяющихся с магнитным полем диполя.
Ill, IV - северная и южная области пересоединившихся силовых
линий магнитного поля, одним своим концом опирающихся на диполь,
а другим - погруженных в солнечный ветер.
Области III и IV целиком охватывают область I, соприкасаясь с
ней вдоль поверхности о. Границей между областями III-IV и II
являются цилиндрические поверхности X гигантских силовых трубок
магнитного поля, выходящих из полюсов диполя. Поверхности Z и о
касаются друг друга вдоль некоторой замкнутой линии - сепаратрисы,
проходящей через нейтральные точки (на рис. 1.4. - жирная
штриховая линия).
Если считать силовые линии магнитного поля
эквипотенциальными, то электрическое поле, существующее в
солнечном ветре в неподвижной относительно_ диполя системе
отсчета, поступает в полюса диполя, и это поле Е сохраняется при
любой ориентации ММП, кроме чисто северного, когда электрическое
поле на полюсах диполя исчезает. При этом процессы
пересоединения на магнитопаузе существенно меняют топологию
течения плазмы и нарушают условия вмороженности магнитного поля
в окрестностях магнитопаузы. Также отметим, что появление х -
23
компоненты в ММП приводит к повороту вектора Е в полюсе диполя.
А добавление z - компоненты ММП также приводит к воздействию на
процессы течения плазмы и ее взаимодействия с магнитным полем
диполя.
Очевидно, что не удается описать простой теоретической
зависимостью физические процессы взаимодействия плазмы ветра и
магнитного поля диполя. Поэтому необходимы эксперименты в
реальных условиях космических полетов для получения точных
эмпирических зависимостей между параметрами магнитного поля
диполя-витка с током и солнечного ветра с целью определения
радиуса захвата плазмы при различных параметрах ветра. Отметим,
что согласно вышеизложенным качественным закономерностям по
[11] взаимодействие магнитного поля диполя с плазмой солнечного
ветра и ее захват начинается с уровня величины ММП, то есть здесь -
Ни с величиной (1+5) 10‘3 А/м, а не закладываемого в расчете Нк=10‘2
А/м, что повышает радиус захвата плазмы относительно полученных
расчетов по таблице 1.2.
Подчеркнем, что в отличие от диполя-Земли с четкой
пространственной ориентацией магнитного поля Земли относительно
движения солнечного ветра и ММП, в нашем случае при ускорении КА
диполь - виток с током может произвольно менять свое положение в
пространстве, тем самым меняя направление вектора магнитного поля
относительно векторов скорости ветра и ММП. Тем самым диполь - виток
может встать в оптимальное положение, обеспечивающее получение
открытой модели магнитосферы диполя и максимальный захват плазмы
(например, области III и IV на рис. 1.4. максимальны). Естественно, это воз-
можно лишь после получения эмпирических зависимостей радиуса захвата
плазмы от положения диполя и от внешних условий. При этом достаточно
будет определить характеристики солнечной плазмы и ММП и по
параметрам диполя-витка автоматически, с помощью компьютерного блока
управления КА определить оптимальное положение диполя-витка.
В сущности, из физических ограничений на поле диполя-витка ос-
тается лишь требование, чтобы поле диполя было направлено так, чтобы
направление вращения частиц осталось неизменным при переходе с
магнитной силовой линии ММП на магнитную силовую линию поля диполя
после их пересоединения и движения плазмы в поле к диполю.
Итак, и наиболее близкая к реальности модель взаимодействия
солнечного ветра с магнитосферой диполя также позволяет уверенно
утверждать о захвате плазмы полем диполя, в данном случае - диффузора
в виде витков с током.
Безусловно, возможно и усложнение конструкции диффузора с целью
достижения максимального захвата плазмы.
Например, принципиально перспективно профилирование магнитного
24
поля с целью максимального ослабления поля внутри плоскости витков и
по их оси у диффузора. Возможны разные конструкции, обеспечивающие
ослабление поля, а одна из них изображена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Профилирование магнитного поля
1 - виток с током; 2 - ферромагнитная оболочка.
Здесь ферромагнитная оболочка толщиной Юн-100 мкм
замыкает на себя значительную часть магнитных силовых линий от
поля витка с током, обеспечивая снижение магнитного поля внутри
плоскости и оси витков. Тем самым солнечная плазма, движущаяся по
поверхности магнитного поля диполя-витков, попадает в область
слабого магнитного поля, и плазма движется к виткам вплоть до
достижения плоскости витков и даже обеспечения возможности
истечения через витки по другую сторону диполя.
Представляет большой интерес и обеспечение условий
пересоединения силовых линий поля диполя и ММП в солнечном ветре.
При этом обеспечивается захват плазмы магнитным полем диполя и ее
транспортировка к диффузору, и здесь вполне реализуются
вышеизложенные зависимости по замагниченности плазмы (1.28) и (1.29) и
ее движению в поле. Безусловно, необходима теоретическая и
экспериментальная отработка устройств, обеспечивающих эффективное
пересоединение силовых линий полей и захват плазмы полем диффузора.
Например, эти устройства могут представлять собой длинные тонкие
электроды, размещенные в поле диполя, создающие постоянное или
переменное электрическое поле, которое стимулирует процесс
пересоединения, служа катализатором для начала интенсивного
пересоединения полей.
Отметим, что согласно таблице 1.3. мощность ММП не превышает
нескольких киловатт, поэтому даже в случае его полной аннигиляции
затраты энергии ускоряемого КА невелики, хотя в действительности они
еще меньше из-за того, что основная часть энергии затрачивается за счет
энергии плазмы, ее потерь энергии, передаваемых магнитному полю
диполя.
Также отметим, что согласно [11] пересоединение полей ММП и
диполя-диффузора может инициироваться не только диссипативными
эффектами в диффузионной области, но также падающей на токовый слой
альвеновской волной. Этот случай вынужденного пересоединения почти не
25
исследован ни теоретически, ни тем более - экспериментально. Поэтому,
возможно, удастся обеспечить высокоэффективное пересоединение с
помощью колебательных систем, посылающих в токовый слой поток
альвеновских волн.
Безусловно, возможны и другие физические идеи и конструкции,
обеспечивающие повышение эффективности захвата плазмы полем
диполя.
Естественно, любые процессы в плазме ведут к потерям
энергии. Однако они здесь достаточно малы. Так, потери энергии
тормозного излучения электронов сжимающегося потока плазмы [5]:
АЕК=1 Дж/м3с, (1.34)
где Z = 1, порядковый номер элемента, здесь - водорода, при
концентрации плазмы п=107+1011 м‘3. И при Те=1,3-105К даже при
п-1011 м"3 величина ДЕк~5,4-10'1в Дж/м3с, и при объеме плазмы
~106+107 м3, излучаемая столбом плазмы Ек«1 Вт.
Рекомбинационное излучение плазмы
Д Ер =2 Ю'17 п2Я0'5, Дж/м3с, (1.35)
и при п-1011 м"3 и Те=1,3-105К величина такого излучения столба
плазмы Ер« 1 Вт.
Значит, низкий уровень концентрации плазмы обеспечивает
ничтожные потери плазмы на излучение, несмотря на весьма
солидные объемы плазмы в поле диполя-диффузора.
Теперь рассмотрим модель поля диполя и взаимодействия с ним
заряженных частиц плазмы. Для диффузора и взаимодействия с ним
плазмы модель поля диполя применима лишь в грубом приближении.
Однако и такая грубая оценка представляет интерес, поэтому
рассмотрим взаимодействие заряженных частиц с полем диполя,
определяемое классической теорией Штермера.
Рис. 1.6. Заряженная частица в поле диполя
_ При взаимодействии частиц с полем диполя с магнитным моментом
М имеются разрешенные и запрещенные области, и их границы в прост-
ранстве задаются уравнением:
°T=1-<W + ^2=0'
где у - постоянная Штермера. Из известного рассмотрения этого
26
уравнения, например в [12], отбрасывая величины у, приводящие к обшир-
ным запретным зонам для движения частиц, имеем, что в ситуации для -1 <
у< О магнитный диполь "открыт" для частиц, приходящих с бесконечности, и
запрещенные зоны минимальны.
г)
Рис. 1.7. Границы запрещенных областей в зависимости от
а)для-1<у^0; б) для у =0.
Величина у определяется [12] по зависимости
7(У) = -^= (-Уф-Ц^К)= rcos<F УФ-С-2<У Cst; (СГС), (1.37)
2Vv к 9 г3 ’ гс^ -у ф 2г а ' ’ ' 7
где параметр К= С* аА/, зависящий от единицы длины Штермера С*,
определяемого по зависимости (1.33) и скорости частицы V: а величина R =
г cos Y, проекция вектора г до центра диполя М на плоскость согласно рис.
1.6. и зависящая от угла Тогда получаем зависимость вида
.... rcos'P cos2
, (138)
.... rCOS'P Уф COS2*P _ .
~ 2СЙ V 2г а>_
Принимаем для простоты V</V = 1, самый неблагоприятный вариант.
Тогда из первого уравнения получаем условие г £ cst • x/cos\|/, и для
самого неблагоприятного варианта с cosy=1 имеем г<с^. Из второго
уравнения для cosy=1 получаем г>0,4-с^. Отсюда условие для
свободного прихода частиц в диполь:
0,4 с^ <г< с^; (1.39)
Подставляя данные заряженной частицы - электрона, с VTe, получаем
сл= 0,085 (1.40)
Тогда, например, для малого магнита по таблице 1.1. с М = 6,28-10®
А-м2 имеем с* = 2.13-103 м = 2,13 км, отсюда условие (1.39) имеет вид 0,852
км < г £ 2,13 км. Следовательно, для двигателя с захватом плазмы полем
диффузора по разделу 1.2 и по таблице 1.2. в диапазоне кольца 0,85<-2,13
км (84% площади для гп = 2,16 км) обеспечивается захват электронов полем
27
диполя даже при cosy=1, то есть у = О, практически в плоскости витка, в
самом неблагоприятном случае. Для меньшего радиуса г захват
осуществляется в зависимости от угла у.
Для примера более сильного магнита с М = 6,28-Ю9 Ам2, по
таблице 1.1. имеем с* = 6,7-103 м, а диапазон 2,7 км < г < 6,7 км, при
принятом радиусе захвата плазмы гп = 4,64 км по таблице 1.2. Значит,
для кольца в диапазоне 2,7+4,64 км (66% площади круга с гп = 4,64 км)
даже при cos\|/=1 и у = 0 обеспечивается захват электронов полем
диполя. Для меньшего радиуса г< 2,7 км захват зависит от угла у.
Однако отметим и исключительно важное обстоятельство - радиус
захвата электронов полем диполя составляет до 6,7 км, то есть
имеется принципиальная возможность повышения радиуса захвата
электронов плазмы гп вплоть до 6,7 км и, соответственно, повысить и
силу тяги.
Аналогичная ситуация и для других магнитов, и у них радиус захвата
плазмы гп по таблице 1.2. также меньше соответствующего значения
радиуса с*
Напомним, что для земного диполя плазма достигает расстояния 10
земных радиусов в экваториальной плоскости, хотя по теории Штермера
протоны плазмы не могут подходить ближе 200 земных радиусов, а для
электронов это расстояние еще больше. Здесь же диполь открыт для
частиц с бесконечности и своим полем обеспечивает захват электронов
даже по теории Штермера. Поэтому можно утверждать, что и плазма будет
проникать к диполю, в диффузор в виде витка стоком.
Сразу отметим, что вблизи и вокруг витков диффузора существует
запрещенная зона, куда не проникают никакие частицы с любой энергией
[13]. Поэтому реальная площадь диффузора с радиусом гм, куда может
проникать плазма, меньше на запрещенную зону, и эта реальная площадь
имеет радиус гмр^гм - (1+4) м, в зависимости от параметров магнита и
плазмы.
Подводя итоги, можно отметить, что только прямые эксперименты в
космосе за пределами магнитосферы Земли, например, на спутнике с
вытянутой эллипсной орбитой, на экспериментальном диффузоре с
возможностью варьирования его параметров и дополнительных устройств
для изучения влияния профилирования магнитного поля или
пересоединения магнитных полей, позволят всесторонне определить
характеристики такого способа ускорения КА. Однако даже приведенные
оценки параметров плазмы в упрощенных моделях ее поведения
позволяют уверенно говорить о работоспособности магнитных двигателей,
в том числе и с захватом плазмы полем диффузора. И речь идет лишь о
совершенстве организации рабочего процесса, о повышении
эффективности систем двигателя. Так, реальный захват и сбор плазмы с
28
высокой вероятностью будет осуществляться при поле диполя-диффузора
Н,* вплоть до <> 5-103 А/м, что означает увеличение радиуса захвата плазмы
гп в 1,2 раза и более по сравнению с принятым Hnk = 1О2 А/м. Однако
существует и вероятность того, что в реальности сбор плазмы будет
осуществляться при значениях Hr* > 10-2 А/м, что уменьшает величину гп,
поэтому принятый уровень магнитного поля диполя Н,* = 1СХ2 А/м является
наиболее вероятным, уверенно обеспечивая условие Н,* > Нп и
необходимые параметры поля для захвата и сбора плазмы к диффузору с
последующим ее отражением различного рода конструктивными устрой-
ствами. При этом радиус гп при = 10-2 А/м является средним, и
параметры способа имеют один порядок относительно двигателя с этим
средним гп в случае отклонения реального радиуса как в сторону
увеличения реального гф, так и в сторону уменьшения реального гф. Просто
в случае повышенного реального значения гпр изложенные в таблице 1.2.
параметры способа оказываются заниженными, а в случае пониженного
реального значения гп изложенные в таблице 1.2. параметры способа
оказываются завышенными. Тем самым, параметры в таблице 1.2. для Нпк
= Ю'2 А/м являются средними, причем одного порядка с параметрами для
реального радиуса Гпр выше или ниже табличных средних гп. Именно
поэтому здесь и в дальнейшем используются средние значения гп при Hr* =
Ю'2 А/м, позволяющие достаточно четко и точно оценить уровень
возможностей способа с использованием магнитных полей в двигателе,
работающем с плазмой солнечного ветра.
1.4 ДВИГАТЕЛЬ С ЗАХВАТОМ ПЛАЗМЫ И ЕЕ ОТРАЖЕНИЕМ
И ИСТЕЧЕНИЕМ СКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СТРУЁЙ
Одной из главных задач двигателей КА является получение вектора
силы тяги в нужном направлении с целью обеспечения изменения траек-
тории полета КА, возможности его маневрирования. Вышеприведенные
схемы двигателей в разделах 1.1 и 1.2 обладают ограниченными
возможностями изменения вектора силы тяги. Все это заставляет
оценивать и рассматривать и более сложные конструкции двигателя на
солнечном ветре, поэтому здесь и рассматривается схема двигателя с
захватом плазмы и ее отражением и истечением сконцентрированной
струёй. В таком двигателе на поток солнечной плазмы в поле диффузора
дополнительно воздействуют магнитным полем и концентрируют в область
по оси диффузора, откуда поток плазмы сконцентрированной струёй
истекает в пространство в произвольном направлении, в том числе,
например, навстречу потоку свободной солнечной плазмы. Схема
подобного двигателя приведена на рис. 1.8.
Такая схема реализуется за счет установки на оси диффузора и вне
его дополнительного направляющего магнита, размещенного со стороны
поступления плазмы. При этом направляющий магнит включает основной
29
соленоид или виток с током (фактически - малый диффузор), соединенный
с контуром из множества малых магнитов, например, соленоидов или
постоянных магнитов, расположенных по замкнутой поверхности, внутри
которого протекает истекающая плазма, причем контур выполнен с
возможностью перемещения относительно основного соленоида. Отметим,
что в общем случае возможно использование и системы малых магнитов из
двигателя по разделу 1.2 для отражения плазмы от диффузора в сторону
направляющего магнита, который в этом случае находится в фокусе для
системы малых магнитов.
Здесь поток свободной солнечной плазмы собирают магнитным
полем диффузора, и плазма идет к плоскости диффузора. А здесь эту
плазму захватывают и направляют внутрь направляющего магнита через
его основной соленоид в контур малых магнитов, и плазма сконцентрирова-
нной струёй, с концентрацией 1014+101® м3, истекает в пространство. При
этом положение контура малых магнитов регулируется относительно оси
диффузора в пределах конуса с углом при вершине до 90 +120°.
Рис. 1.8. Двигатель с отражением и истечением плазмы
сконцентрированной струёй
1 - КА; 2 - магнитный диффузор; 6 - поток солнечной плазмы;
3 - направляющий магнит, состоящий из: 4 - основной соленоид;
5 - контур магнитов; 7 - сконцентрированная струя плазмы;
30
Рис. 1.9. Вектор силы тяги двигателя
Рис. 1.10. Возможное положение элементов двигателя
1 - КА; 2 - диффузор; 3 - основной соленоид; 4 - контур малых
магнитов.
Регулирование положения контура позволяет получить
пространственный вектор силы тяги R = Ri+ R2, согласно рис. 1.9.,
состоящий из постоянной составляющей R1 = pu = Snpr по (1.9) и
переменной составляющей R2=f(Sn, рг, ¥) для сконцентрированной
струи, имеющей пространственное распределение. Отметим, что в
случае размещения контура по оси диффузора сила тяги становится
равной R=Ru=2 pu, как для двигателя по разделу 1.2. В других
положениях величина силы тяги зависит от его дополнительной
составляющей, определяемой углом ¥. Тем самым появляется
пространственная составляющая силы тяги, позволяющая изменять
вектор силы тяги и воздействовать на изменение траектории
движения КА.
Отметим, что в случае обеспечения конструкцией КА
возможности любого перемещения контура можно принципиально
получить и положение элементов двигателя согласно рис. 1.10. При
этом сконцентрированная струя плазмы пробивает слабое магнитное
поле вблизи оси диффузора и уходит в пространство. Тогда сила тяги
31
двигателя по оси диффузора R0=RrR2=SnPr“f(sn, Рг, 4х), а при величине
4х до 30+45° величина Ro~(0,2+0,3) pr Sn, а вертикальная
составляющая к оси диффузора RB~(0,5+0,7)prSn. Тем самым
возможно получение пространственного вектора силы тяги,
обеспечивающей небольшую силу тяги по оси диффузора и
практически по направлению вектора движения солнечного ветра (ибо
они практически совпадают для обеспечения максимального сбора
плазмы диффузором) и одновременно имеющей значительно более
высокую тягу в направлении перпендикуляра к оси диффузора. А это
расширяет возможности управления траекторией движения КА.
Конструктивно направляющий магнит включает основной
соленоид типа короткой катушки из витков или вообще один виток из
сверхпроводящего сплава, к которому присоединен контур из
множества малых магнитов. Причем основной соленоид имеет
диаметр в 10-100 раз меньше диаметра диффузора, что обеспечивает
сбор и захват плазмы вблизи основного соленоида и одновременно не
возмущает магнитного поля вдали и вне диффузора, то есть не
мешает захвату диффузором свободной солнечной плазмы. Другим
элементом направляющего магнита является контур малых магнитов,
выполненный из множества магнитов типа отдельных витков, или
маленьких соленоидов, или постоянных магнитов в виде шайб или
других геометрических фигур. Эти магниты располагают по замкнутой
поверхности любой геометрической формы, например, ци-
линдрической или конической, или их сочетанием, или вообще в виде
изогнутой кривой типа сопла Лаваля с углом наклона образующей до
40°. И внутри этого контура и движется плазма, поступающая из осно-
вного соленоида. Причем составляющие область отражения поля
магнитов образуют градиенты полей параллельно или
перпендикулярно к силовым линиям основного соленоида, создавая
контур, отражающий и заставляющий плазму дрейфовать к
выходному сечению контура. При этом от магнитов не требуется
протяженного поля, а, наоборот, требуется узкая зона с минимальной
толщиной и мощным полем, поэтому магниты выполнены малых
диаметров, до 0,001+0,01 м, и с длиной менее 0,001м и конструктивно
аналогичны известным конструкциям магнитов.
Конструктивно контур магнитов представляет собой жесткий в
виде сетки каркас, в ячейках которого расположены малые магниты.
Сам каркас соединяется с основным соленоидом с помощью
крепления к раме соленоида или витка, причем каркас соединен с
рамой гибкой связью, например, шарнирным соединением (шаровой
опорой), и также снабжен поворотным устройством, которое по
команде смещает каркас с магнитами относительно общей оси
основного соленоида и диффузора. В месте соединения рамы с
32
каркасом могут быть установлены 2 ряда магнитов для поддержки
требуемого магнитного поля в месте соединения при повороте
каркаса относительно основного соленоида, чтобы при повороте не
появилась щель между каркасом и соленоидом и куда могла бы
утекать плазма при переходе из соленоида в контур. Угол поворота
каркаса зависит от конкретной конструкции, достигая 40+60°, а при
необходимости - и более, и соответственно изменяя вектор силы тяги
с его составляющей R2.
Основной соленоид, катушка или виток с током, является здесь
магнитной линзой, собирающей электроны и ионы плазмы в поле
диффузора, и конструктивно аналогичен диффузору, а разница лишь
в размерах витков и других элементов этих магнитов.
Помимо получения вектора силы тяги, важной задачей контура
является и вывод потока плазмы из магнитного поля основного
соленоида в область слабого поля. Поэтому длина контура равна не
менее чем 10 диаметров основного соленоида, что обеспечивает не
менее чем 1000-кратное падение поля от основного соленоида в
выходном сечении из контура магнитов. Это позволяет резко
уменьшить замагниченность плазмы от поля основного соленоида,
поэтому на выходе из контура плазма является практически
свободной. Например, в условии меры замагниченности плазмы по
(1.29) ДЛЯ струи СрвДНвв ВрвМЯ МвЖДУ ДВуМЯ
столкновениями по (1.30) падает до т*|=2,1 10’2 сек, а мера
замагниченности протонов (оН| Тт^1, а для электронов <0й*-Тт»1, но и
здесь величина меры замагниченности падает на несколько порядков
по сравнению с замагниченностью электронов свободной плазмы
солнечного ветра в поле диффузора. А по мере удаления плазмы в
контуре от основного соленоида и по мере роста концентрации
плазмы она ведет себя еще свободнее.
Отметим, что для основного соленоида радиус захвата плазмы
примерно на уровне радиуса магнита диффузора гм, поэтому габариты и
энергия поля основного соленоида на порядки меньше, чем у диффузора.
Это можно достаточно грубо оценить в дипольном приближении. Например,
ранее было получено, что для диффузора с магнитным моментом М =
6,28-10^ Ам2 имеем радиус Штермера Свгб.УЮ3 м по зависимости (1.40),
при принятом радиусе захвата плазмы гп равном 4,64 км, а для обеспечения
захвата электронов основным соленоидом по условию (1.7) на радиусе г^^
Сл « гм = 100 м необходимый магнитный момент диполя - основного
соленоида в 4400 раз меньше, чем у диффузора, а соответственно, меньше
и энергия основного соленоида. Примерно такое же соотношение действует
и для других параметров диффузора и радиуса захватываемой плазмы.
зз
Значит, именно диффузор является основным элементом по энергии и
массе, а основной соленоид по массе уступает ему на порядок и более.
Рассмотрим некоторые конструктивные схемы двигателя с концент-
рированной струёй. Первая схема изображена на рис. 1.8 . Это достаточно
простая в реализации схема, однако здесь необходимо, чтобы магнитное
поле внутри диффузора отражало поступающую плазму от диффузора в
сторону основного соленоида, который, в свою очередь, должен активно
захватывать плазму, не позволяя ей пройти через плоскость диффузора.
Это вполнё возможно при экспериментальном подборе параметров
диффузора и основного соленоида.
Второй схемой является модификация первой схемы за счет доба-
вления системы магнитов, и изображенная на рис. 1.11. Здесь система
магнитов конструктивно аналогична рассмотренной в двигателе с захватом
плазмы и отражением от диффузора в разделе 1.2. Достоинством такой
схемы является надежность отражения практически любого потока плазмы
от диффузора. Кроме того, такая система магнитов просто необходима при
использовании диффузора с профилированным магнитным полем,
например, с ослабленным полем по оси диффузора, неспособным
воспрепятствовать движению плазмы через плоскость такого диффузора
по его оси.
Рис. 1.11. Вторая схема двигателя с отражением и истечением
плазмы концентрированной струёй
1 - КА; 2 - диффузор; 7 - система магнитов; 6 - поток плазмы;
3 - направляющий магнит: 4 - основной соленоид; 5 - контур;
8 - сконцентрированная струя плазмы.
34
Рис. 1.12. Третья схема двигателя с концентрированной
струёй плазмы
1 - контур магнитов; 2 - основной соленоид;
3 - магнитная заглушка; 4 - диффузор; 5 - КА; 6 - плазма.
Третьей схемой двигателя является схема, изображенная на
рис. 1.12. Здесь осуществлена стыковка запрещенных зон вокруг
витков диффузора и запрещенной зоны вокруг витков основного
соленоида, а главное, объединение магнитных полей диффузора и
соленоида вызывает появление внутри плоскости диффузора между
витками диффузора и соленоида мощного градиента магнитного поля,
отражающего поток плазмы от плоскости диффузора. При этом поток
плазмы поступает в диполь-основной соленоид только с одной
стороны, и здесь осуществляется сбор плазмы, обтекающей
запрещенные зоны и зоны с большим градиентом магнитного поля.
Причем в самом основном соленоиде поставлена со стороны
диффузора магнитная заглушка в виде рядов малых магнитов,
образующих узкую зону, область магнитного поля, гарантирующая
непропускание плазмы через основной соленоид в сторону
диффузора.
Принципиально возможны и другие схемы такого двигателя,
однако эти 3 схемы представляются основными. Каждая схема имеет
свои достоинства и недостатки, и в настоящее время нет смысла их
рассматривать (это имеет смысл делать на этапе опытно-
конструкторских работ, а не здесь - на этапе поисков).
Рассматривая возможные потери энергии плазмы, отметим, что
даже при концентрации п = Ю1^"3 для Те~105К потери энергии на
тормозное излучение согласно (1.34)ДЕк=4,5-10'6Дж/м3, и, несмотря на
значительный объем контура и основного соленоида, имеет величину
Ек<1 Вт. Рекомбинационное излучение согласно (1.35) также имеет
уровень Ер-1 Вт. Отметим, что возможны и другие воды потерь типа
дрейфовых токов, турбулентность плазмы и ряд других малых видов
35
потерь, столь характерных для плазмы, однако их уровень вряд ли
превышает 0,1+1 % от энергии плазмы.
Потери на непараллельность истекающего потока плазмы
Фнеп=т^-^ = 0,5- 1 + cos^ ; (1.41)
vv7a=o v
где a - угол раствора сопла, и для контура магнита на выходе a
соответствует двойному углу наклона образующей, или a = 10+20°, и
тогда фнеп = 0,99. Потери на трение для магнитного контура малы в
силу сравнительно малой длины контура и имеют уровень фтр = 0,95. А
полная потеря энергии плазмы в такой сложной конструкции
двигателя имеет уровень порядка 3+20% от энергии плазмы
солнечного ветра, Это уменьшает на величину фТОт = 1+10%
составляющую силы тяги R2, и общая сила тяги
R = Ri + R2 = Sn pr + f (Sn, pr, Ф) ФпоТ; (1.42)
К сожалению, появление значительных потерь энергии
неизбежно по сравнению с простейшим двигателем с
непосредственным отражением солнечного ветра по разделу 1.1, и
фактически это есть плата за усложнение конструкции двигателя и
возможность получения пространственного вектора силы тяги и
изменения траектории полета КА. Итак, можно сделать вывод, что
ввод направляющего магнита позволяет разбить силу тяги на
составляющие Ri и R2, а затем активно воздействовать на
пространственный вектор составляющей R2, а через нее и на вектор
силы тяги R, позволяя влиять на траекторию движения КА.
Характеристики таких двигателей определяются параметрами
диффузора и захваченной им плазмой и полностью соответствуют
приведенным в таблицах 1.2. и 1.3., с учетом того, что приведенная в
них сила тяги есть максимальная величина, и она может уменьшаться
за счет воздействия направляющего магнита.
1.5 ОЦЕНКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ С ПОЛЕМ
СИСТЕМЫ МАГНИТОВ И НАПРАВЛЯЮЩЕГО МАГНИТА
Система магнитов представляет собой систему миниатюрных и
малых магнитов, образующих резкую узкую область с сильным
магнитным полем, которое отражает плазму, текущую по поверхности
области. При этом магнитные_моменты Мм направлены под углом к
вектору поля диффузора М, вплоть до перпендикуляра, и эти
моменты Мм множества магнитов смыкаются, образуя область,
которая, однако, не влияет на магнитное поле диффузора. Магнитное
поле вокруг каждого малого магнита определяется зависимостью
(1.22) как магнитного диполя. Причем величина поля Н зависит от 9,
36
угла между плоскостью диполя с Мм и радиусом г расстояния от
центра диполя до рассматриваемой точки. При этом магнитное поле
на расстоянии г равно Нпу и максимально в плоскости диполя с
радиусом гпу, а по оси диполя величина поля Нпу достигается на
расстоянии гПу = 0,79гпу. Схема магнитного поля изображена на рис.
1.13.
Рис. 1.13. Схема магнитного поля малых магнитов
т. А, В - точки, в которых Нпу; Мм - магнитный момент диполя;
1 - магнит; 2 - магнитное поле магнита;
3 - магнитное поле диффузора; 4 - диффузор;
5 - система магнитов.
Если радиус гпу - радиус отражения плазмы, то в первом
приближении площадь отражения плазмы каждым магнитом равна
прямоугольнику со сторонами 2гпу - в плоскости диполя и гУпу" п0 оси
магнита - диполя, где г'пу « 0,79-Гпу, тогда эта площадь
Sny=2 rny-2-г'пуМГпу-^/“3,16-1^Пу (1.43)
При этом на радиусе имеем поле Нпу для одного магнита. Од-
нако в реальности на стыке между магнитами происходит наложение
полей и их сложение. Тогда реальное поле, например, в точках А и В
увеличивается, и НПуа= Нпув^г Нпу, и, например, при НПу=7 А/м будем
иметь НПуа=Нпув=10 А/м. На стыке магнитов в точке С поле
HnyHT^I.e). Нпу, и, например, при Нпу=7 А/м имеем величину
Нпус~10+14 А/м. При этом увеличение значений Нпуа, Нпув и Нпус,
являющихся наиболее слабыми местами в системе магнитов и
37
определяющих отражательную способность системы при воздействии
плазмы, позволяет увеличить давление дополнительного магнитного
поля рмд по зависимости (1.12). И повышение Нпу=АН по (1.12) в ^2
раза повышает рмд в 2 раза, а, соответственно, повышает и давление
отражаемой плазмы.
Такая система магнитов позволяет смещать поток плазмы в
центральную область по оси диффузора. Для этого служит и плавная
форма области магнитного поля и размещения магнитов. При этом
плазма попадает в центральную область на оси диффузора и оттуда
истекает в космическое пространство или взаимодействует с
магнитным полем направляющего магнита. Безусловно, оптимальная
форма поля области системы магнитов и ее пространственная
конфигурация будут подбираться экспериментально, однако
принципиально нет физических ограничений на подбор поля области,
обеспечивающей смещение основной части плазмы в центральную
область диффузора.
Возможно несколько схем обеспечения захвата плазмы
направляющим магнитом и регулирования течения плазмы.
Например, для двигателя с отражением и истечением плазмы
сконцентрированной струёй согласно схемам на рис. 1.8. и рис. 1.11.
основной соленоид расположен вне плоскости витков диффузора, а
его поле направлено против поля диффузора согласно рис. 1.14.
Рис. 1.14. Схема размещения направляющего магнита
1 - витки диффузора; 2 - направляющий магнит;
3 - основной соленоид; 4 - контур магнитов;
5 - зависимость магнитного поля вблизи основного соленоида.
Здесь основной соленоид имеет поле, которое внутри него Нос
примерно равно полю диффузора Нм, причем в плоскости витков диф-
фузора поле от соленоида Носп значительно меньше величины Нм. При
этом в результате взаимодействия противоположных по направлению
полей основного соленоида и диффузора в сечении соленоида поле
примерно равно нулю. При этом и в области по оси соленоида происходит
взаимоуничтожение полей, правда, в силу резкого падения поля соленоида
как диполя малого размера по сравнению с диффузором это
38
взаимоуничтожение частично, причем резко уменьшается по мере
приближения к плоскости витков диффузора, что показано на рис.
1.14. в виде зависимости на графике Н-l. Тем самым образуется
магнитная «яма», куда и скатывается плазма, выбирающая путь
между градиентом давления поля в плоскости витков диффузора с Нм
и магнитной «ямой» с резко уменьшающимся давлением. А попав в
основной соленоид, сконцентрированная плазма продолжает путь и
через контур магнитов, преодолевая градиент магнитного поля за счет
напора плазмы, накопившейся в магнитной «яме».
Для двигателя со сплошной системой магнитов на рис. 1.11. возмо-
жно применение второй схемы применения направляющего магнита. При
этом он расположен так же, как и на рис. 1.14., однако его поле Ноо>Нм или
даже На^>Нм. Здесь плазма оказывается между магнитами системы и
основным соленоидом, а параметры основного соленоида подбираются
таким образом, что соленоид является тонкой магнитной линзой или, по
крайней мере, не очень толстой магнитной линзой, а эти линзы являются
собирающими для ядерных частиц. Поэтому плазма в центральной области
диффузора постепенно проходит через тонкую магнитную линзу в виде
основного соленоида, а затем идет и через контур магнитов, истекая
сконцентрированной струёй в космическое пространство.
Третья схема применения направляющего магнита связана с
двигателем по схеме на рис. 1.12. Здесь основной соленоид находится в
плоскости витков диффузора, и их поля складываются, образуя сильный
градиент магнитного поля, оттесняющий плазму от плоскости диффузора в
сторону контура магнитов. А характерной особенностью такой схемы
является значительное превышение радиуса контура магнитов над
радиусом основного соленоида, вплоть до порядка и более, что
необходимо для захвата максимального количества плазмы.
Четвертой схемой является направляющий магнит, в котором вообще
нет основного соленоида, а есть только контур магнитов в виде конуса или
кривой, соединенных с цилиндрической частью согласно рис. 1.15., а в его
модификации дополнительно установлена магнитная пробка в виде
системы магнитов в плоскости диффузора.
Здесь плазма оказывается между полем диффузора или полем
магнитной пробки и контуром магнитов, и значительная часть плазмы
при своем движении попадает и истекает через этот контур. Это
предельно простая схема, однако здесь нет ничего типа магнитной
"ямы", что привлекло бы плазму в контур, поэтому значительная часть
плазмы истекает в пространство, минуя контур, через щель между
контуром и диффузором, через которую плазма и поступает в
диффузор. При этом требуются значительные габариты конической
части контура, а это препятствует движению свободной плазмы к
диффузору по центральной области вблизи его оси, тем самым
отражая свободную плазму от обратной стороны конуса назад в
39
космос, что показано и на рис. 1.15., а это, безусловно, ухудшает
характеристики такой системы.
Рис. 1.15. Схемы размещения контура магнитов
а) простой вариант; б) вариант с дополнительной системой;
1 - диффузор; 2 - контур магнитов; 3 - поток плазмы;
4 - магнитная пробка.
Представляет большой интерес пятая схема направляющего
магнита, являющаяся модификацией первой схемы по рис. 1.14., и в
которой выполнено 2 основных соленоида по обоим концам контура
магнитов согласно схеме на рис. 1.16.
Рис. 1.16. Схема направляющего магнита с двумя основными
соленоидами
1 - диффузор; 2 - первый основной соленоид;
3 - второй основной соленоид; 4 - контур магнитов; 5 - плазма;
6 - зависимость магнитного поля вблизи соленоидов.
Такая схема с одинаковыми соленоидами и полями
обеспечивает малое поле на обоих концах контура магнитов, а также
слабое поле и внутри контура, что уменьшает градиент поля внутри
контура и облегчает движение струи плазмы. Однако главное
достоинство - простота перемещения направляющего магнита по
40
другую сторону витков диффузора, например, при реализации
двигателя со сконцентрированной струёй по варианту б) на рис. 1.10.
Сам контур магнитов, выполненный из множества малых
магнитов, имеет узкую зону поля с минимальной толщиной и мощным
магнитным полем, значительно превышающим поле диффузора Нм.
Кроме того, магнитные моменты магнитов направлены под углом к
вектору поля диффузора, вплоть до угла 90°, что резко уменьшает
взаимодействие поля магнитов контура с полем диффузора. А само
взаимодействие контура с плазмой аналогично взаимодействию
плазмы с системой магнитов по рис. 1.13., и разница лишь в
геометрической форме контура и системы магнитов.
Вполне возможна разработка и других схем, обеспечивающих
захват плазмы направляющим магнитом и истечение этой плазмы
через этот магнит в пространство. Однако несомненна физическая
возможность создания эффективной конструкции направляющего
магнита и его элементов.
1.6. ДИНАМИКА СИЛЫ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЯ НА ПЛАЗМЕ СПОКОЙНОГО
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
Даже спокойный солнечный ветер, и в этом его большой
недостаток, является во времени нестабильным по величине своих
параметров. При этом наблюдаются как кратковременные пульсации,
так и длительные вариации по годам во времени периода солнечной
активности. Так, например, в период с марта 1971 по июнь 1974 года
средняя концентрация плазмы п меняется от 11,9-10® м'3до 3,9-10® м"3
при средней скорости потока V от 327 км/с до 702 км/с соответственно,
а величина протонного потока nV меняется от 3,9-1012 м’2с1 до 2,7-1012
м'2с'1 соответственно при средней величине потока частиц nV =
3,8-1012 м'2с'1. При этом для периода с марта 1971 года до августа
1972 г. средние потоки частиц nV составляли величину 3,4-1012м‘2с‘1,
а после сентября они составляли 4-1012 м"2с’1. А в период с 1975 по
1976 годы 27-дневные потоки в среднем превосходят 4-1012 м^с'1,
достигая и значения (4,5+5)-1012 м^с’1. Причем в высокоскоростных
потоках температура электронов 105К и ниже, хотя в медленных
потоках Те=(1,3*-1,4)-105К, в отличие от температуры протонов,
которая возрастает в -7 раз. А в длительной перспективе поток от
типичных значений (2+3)-1012 м"2с'1 в 1963-1965 годах понижается до
значений, примерно равных 1012 м’2с'1 в максимуме солнечной
активности, и вновь возрастает до 4-1012 м'2с’1 в минимуме солнечной
активности [3].
Оценим, как изменяется сила тяги двигателя.
41
Захват частиц плазмы определяется прежде всего захватом
электронов магнитным полем диффузора. И, например, снижение
температуры Тв в быстром ветре приводит к снижению среднего
времени между двумя столкновениями тт согласно зависимости (1.30).
Однако для быстрого ветра одновременно снижается и концентрация
п, что повышает, в свою очередь, величину тт. Поэтому величина тт
практически растет или, по меньшей мере, остается практически
неизменной, следовательно, и мера замагниченности электронов
остается примерно неизменной и (0не-тт»1, обеспечивая
замагниченность электронов, попавших в магнитное поле диффузора.
То же относится и к радиусу экранирования Дебая для плазмы где по
зависимости (1.25).
Практически для всего диапазона параметров плазмы
обеспечивается неизменность параметров, гарантирующих требуемое
взаимодействие солнечной плазмы с магнитным полем диффузора.
При этом величина nV, практически и определяющая уровень силы
тяги, и принятая в расчетах по таблицам 1.1.+1.3. равной 4-1012 м'2с’1,
соответствует реальным параметрам плазмы в минимуме солнечной
активности.
Определим падение силы тяги в зависимости от потока плазмы.
И сначала рассмотрим двигатель с непосредственным отражением
плазмы по разделу 1.1. Принимаем, что скорость плазмы и протонов
равна V = 400 км/с, а плотность плазмы падает до п = 2,5-10® м"3, что
соответствует потоку частиц 1012 м‘2с’1. При этом уменьшение потока в
4 раза вызывает повышение радиуса D3 в 1,28 раза или увеличение
площади в *1,64 раза, и соответственно сила тяги падает в 4/1,64 =
2,4 раза. Следовательно, уменьшение потока в 4 раза приводит к
уменьшению силы тяги в 2,4 раза.
Более сложный характер у зависимости силы тяги от внешних
условий для диффузора с захватом плазмы. Так, межпланетное
магнитное поле имеет 27-дневную периодичность, а также более
краткосрочные вариации и быстрые пульсации с полем Вк величиной в
основном от 1 до 10у. Однако в целом годовые средние
напряженности близки к (5+6,2) у, независимо от времени цикла
солнечной активности [3]. Поэтому принятого при расчетах значения
магнитного поля диффузора НПк=10‘2 А/м или ВПк =12у вполне
достаточно для захвата плазмы и получения радиуса захвата гп.
Однако отметим, что падение концентрации и давления плазмы
принципиально приводит к повышению радиуса захвата гп, как и для
рассмотренного выше двигателя с непосредственным отражением
плазмы. Кроме того, для плазмы с низкой концентрацией повышается
вероятность захвата при более низкой напряженности поля, вплоть до
ВПк~(5+6)у. Тогда радиус и площадь захвата плазмы возрастают в
42
1,2+1,3 и 1,4+1,7 раза соответственно, частично компенсируя падение
силы тяги двигателя из-за уменьшения протонного потока nV в 4 раза.
Отметим, что существуют отдельные периоды, когда магнитное
поле в плазме превышает 12у, однако их вероятность мала, не
превышая 3+4% по времени за многолетний цикл наблюдений,
например, с 1967 по 1974 годы [3].
Время ускорения КА в спокойном солнечном ветре достигает
нескольких месяцев и даже вплоть до года. Учитывая такой
длительный характер ускорения КА, можно утверждать, что в таком
случае все временные пульсации параметров плазмы сглаживаются и
определяются средними параметрами плазмы и межпланетного
магнитного поля за 3+6-месячный период и даже более длительное
время. И с этой точки зрения расчетные значения величин силы тяги в
таблицах 1.1.+1.3. являются реальными и одновременно
максимальными по величине nV, соответствующими периоду в
минимуме солнечной активности. А с годами величина потока nV
падает в 1,5+2 раза, до (3+2) 1012 м"2с’1, вызывая падение силы тяги в
1,3+1,8 раза, а минимально величина nV падает в максимуме
солнечной активности вплоть до 1012 м"2с‘1, вызывая падение силы
тяги в 2,4+3 раза.
Отметим, что представляет интерес старт и ускорение КА в
области магнитопаузы, представляющей собой область
магнитосферы Земли, взаимодействующую с солнечным ветром. При
этом в магнитопаузе происходит пересоединение магнитных силовых
линий поля Земли и солнечного ветра. При этом возможно повышение
концентрации плазмы в 1,5+2 раза и падение магнитного поля, что
увеличивает захватываемую массу плазмы и силу тяги. А идеальным
является старт КА в области нейтральной линии, на которой
магнитное поле обращается в ноль при пересоединении магнитных
полей [2]. Использование такого старта позволяет в начальный
момент повысить силу тяги до 2+5 раз, которая постепенно
уменьшается по мере движения по нейтральной линии и в
магнитопаузе, а при выходе из магнитосферы Земли сила тяги
определяется только параметрами свободного солнечного ветра.
Итак, для двигателей на солнечном ветре происходит деление
на годы с высокой эффективностью и большой силой тяги или на годы
с малой эффективностью и уменьшенной силой тяги, а также средние
годы со средними параметрами. Что ж, у каждого способа ускорения
КА есть свои достоинства и недостатки, к большому сожалению. Ещё
раз повторим, что эта временная нестабильность является большим
недостатком использования солнечного ветра в магнитных
двигателях, однако не может служить принципиальным препятствием
для использования солнечного ветра при ускорении КА.
43
ГЛАВА 2
ДВИГАТЕЛЬ НА СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЕ И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ
2.1 ВЫБОР СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА ДИФФУЗОРА
Магнитный диффузор из-за его геометрии и энергии обязан быть
сверхпроводящим, так как в случае применения постоянных магнитов
его масса составит многие десятки и сотни тонн, а при использовании
нормальных проводников необходимая мощность источника электро-
энергии составит десятки-сотни киловатт даже для малых магнитов по
таблице 1.1. Поэтому речь идет только о сверхпроводящем магните и
выборе конкретного материала для него.
Очень привлекают внимание из-за перспективности высокотемпера-
турные сверхпроводники (ВТСП), принципиально позволяющие
использовать охлаждение жидким азотом, а не гелием - как для традицион-
ных сверхпроводников. Так, образцы ВТСП из керамики УЬг^СизОх обе-
спечили критическую плотность тока jc = 7,5-10® А/м2 при азотной
температуре 77ОК в отсутствие внешнего магнитного поля Н = 0, а
дальнейшее совершенствование обеспечило jc = 3-10® А/м2 в поле с Н = 10
кэ. А в Техасском центре по сверхпроводимости еще в сентябре 1990 года
для такой же керамики на образцах, полученных зонной плавкой, достигли jc
= 1-1O10 А/м2 и 2-1 & А/м2 при Н = 0 и 10 кэ соответственно при 77°К, а при
гелиевой температуре 4,2°К эти образцы имели jc = 2-1011 А/м2 и 8-1010 А/м2
при Н = 0 и 50 кэ соответственно. Хорошие результаты обеспечили и тонкие
пленки УЬеьСизОх на подложке из М0О или АЬОз, позволяющие иметь jc до
3.5-1O10 А/м2 при 77°К и Н = 0, а при гелиевой температуре величина jc до
5-1011 А/м2 [14]. И в настоящее время изучены многочисленные ВТСП на
основе оксидов Ba-Bi, купратов La, Y-Ba, Bi-Sr, Tl-Ba и их модификаций [15]
и получены вполне удовлетворительные результаты, особенно на
экспериментальных образцах.
Однако пока в настоящее время техническое применение ВТСП
для мощных магнитов маловероятно, в частности, из-за низкой
прочности и малой критической плотности тока для промышленно
выпускаемых ВТСП. То есть уровень параметров опытных образцов
достаточно высок, но пока еще нет серийного выпуска качественных
лент из ВТСП. Поэтому, признавая их перспективность для
использования через несколько лет, сейчас приходится вынужденно
ориентироваться на традиционные сверхпроводники, работающие на
жидком гелии.
К традиционным сверхпроводникам относится много
материалов, а наибольшее внимание привлекают материалы Nb-Ti,
44
Nb3Sn, PbMoeSe, NbN и его разновидность NbN0,7C0,3. Каждый из них
имеет свои достоинства и недостатки.
Наиболее распространенным материалом для магнитов
является сплав Nb-Ti, образующий непрерывный ряд твердых
растворов с концентрацией титана от 40 до 60% в медной или
алюминиевой матрице, а промышленная марка НТ-50. Эта марка НТ-
50 широко выпускается промышленностью, а номенклатура изделий
включает и скрученные многожильные провода, и многожильные
модули, и сверхпроводящие электролитические шины, и даже фольгу
типа ФНТ-100/0,2. Марка НТ-50 обеспечивает критическую плотность
тока jc до (1,5+1,7)-109 А/м2 в поле 5 Тл, а для фольги jc до 5-Ю9 А/м2
без внешнего магнитного поля, то есть имеет достаточно высокие ха-
рактеристики и в серийном изготовлении [6], а при тщательном
изготовлении возможно получение jc до 8-109 А/м2 при 4,2 °К и поле Н
= 0 [17]. Плотность сплава равна 5,6 103 кг/м3 [34]. И этот сплав имеет
хорошие механические свойства, что облегчает создание магнитов и
повышает надежность при длительной работе без возможности
проведения ремонта,
Сплав Nb3Sn обеспечивает в 2+3 раза более высокие критичес-
кие тока, чем НТ-50, имеет и более высокую критическую температуру
Тс = 18°К. Однако Nb3Sn имеет плохие механические свойства, ус-
тупая по прочности и пластичности Nb-Ti. Существенно и то, что
обычно для NbsSn используют матрицу из меди, что повышает массу
проводов по сравнению с алюминиевой матрицей, которую очень
сложно использовать из-за больших технологических сложностей при
изготовлении провода с этим сплавом.
Сплав НЬэА! и выпускаемая из него проволока промышленного
изготовления имеет jc = 5-109 А/м2 в поле В = 5 Тл, причем имеет и
высокую критическую температуру Тс = 19,9 °К [18]. А в слабых полях
такой сплав обеспечивает уровень порядка (1+2)-101° А/м2.
Достоинством этого сплава является и прекрасный контакт и адгезия с
алюминиевой матрицей, что при одинаковых токах в проводе
позволяет уменьшить массу провода по сравнению с медной
матрицей для сплава Nb3Sn.
Сплав NbNoi7Co,3, карбонитрид ниобия, имеет критическую
температуру Тс = 18 °К и jc = 8-1010 А/м2, и эта критическая плотность
тока jc превосходит jc остальных известных сверхпроводников [16].
Однако отметим, что согласно [23] сплавы типа NbN при Тс=14,5-17,8
°К имеют величину jc до (2+5)-1011 А/м2. При этом для получения
сверхпроводника азотируют чистый ниобий, и на его поверхности
образуется пленка NbN толщиной примерно 300+80000 А, и jc
достигает (2+5)-1011 А/м2 при 4,2 К и поле (1+1,7) Ю7А/м [34]. Это
прекрасный сверхпроводник, однако пока эти материалы не
45
выпускаются промышленностью, и возникает вопрос о возможности
масштабного изготовления лент хотя бы опытными производствами и
качестве таких лент с покрытиями с большой длиной.
Из других материалов отметим соединение РЬМов88, которое
при средних свойствах имеет хорошие технологические свойства,
позволяя изготовлять как пленки, так и проволоку [16].
Большое значение имеет отлаженность производства и объемы
изготовления сверхпроводников, и здесь явные лидеры - сплавы Nb-
Ti и Nb3Sn, а за ними далеко позади NbjjAI, а затем и NbN и NbNojCo.a-
При этом если требуется минимальный вес, без учета затрат на
изготовление сверхпроводника, то здесь явным лидером является
сплав NbN или NbN0,7C0i3, за ним NbsAI, а далее Nb3n и Nb-Ti.
Таким образом, в зависимости от требований, предъявляемых к
конструкции диффузора, в том числе и экономических требований,
даже просто от имеющихся возможностей или желания конструкторов,
может использоваться любой из вышеприведенных
сверхпроводников, или иные сверхпроводники, которые могут со
временем появиться, с аналогичными или лучшими характеристиками,
Для получения дешевых конструкций из серийных
сверхпроводников из сплава НТ-50 привлекает внимание фольга
марки ФКТ-100/0,2, имеющая поперечное сечение 100x0,2 мм х мм,
коэффициент заполнения 90% и критическую плотность тока 5-10®
А/м* без внешнего магнитного поля [16]. Такое сечение фольги
соответствует критическому току до 105 А. Кстати, отметим, что
фольга практически целиком состоит из сплава НТ-50, и именно он
определяет массовые характеристики фольги, поэтому здесь
практически не имеет значения материал матрицы - алюминий или
медь - из-за их малого объема и веса. Привлекает внимание и модуль
типа МНТ-6/6-1200, имеющий поперечное сечение 6x6 мм х мм при
диаметре сверхпроводящей жилы 40 мкм и числе жил - 1200, шаг
скрутки - 50 мм, коэффициент заполнения 20% (здесь материал
матрицы имеет решающее значение для массы провода), имеющий
критический ток 6000 А при поле 5 Тл и температуре 4 °К.
Отметим, что существует несколько промышленных конструкций
сверхпроводящих изделий, в том числе и с внутренним каналом для
охлаждающего гелия. Провод обычно включает в себя до нескольких
тысяч сверхпроводящих жилок с диаметром 10+80 мкм, при шаге
скрутки 20-50 мм. Провод "твистируют", то есть механически
окручивают вокруг их продольной оси, и в результате "твистирования"
сверхпроводящие жилы в проводнике располагают геликоидельно
друг относительно друга. Это обеспечивает стабилизацию
сверхпроводника в переменных магнитных полях, например, при
транспортировке КА с диффузором в магнитном поле Земли.
Отметим, что сверхпроводники позволяют, например, в линиях
46
постоянного тока передавать большие токи - до 200 кА и более [35].
Для примера заметим, что сейчас наиболее мощные магниты при-
меняют в термоядерных реакторах, например, магнит Окриджской
национальной лаборатории с размером отверстия катушки 7 х 10 м х
м имеет максимальную индукцию 11 Тл при токе 8-104 А для
сверхпроводника из Nb3Sn, а запасенная энергия поля 2,9 Ю10 Дж при
охлаждении сверхпроводника прокачкой [35].
Рассматривая общие характеристики сверхпроводников,
отметим, что вызывает большой интерес сильная зависимость
критической плотности тока jc от индукции магнитного поля. При этом
величина jc повышается в 6*8 раз для Nb-Ti при уменьшении поля с
5*6 Тл до 0, то есть для слабого поля. Более плавная зависимость у
сплава Nk^Sn, однако и для него повышение jc до 1,5 раза при
уменьшении поля с 5*6 Тл до В=0. Причем при малых полях jc для Nb-
Ti и NkhSn достаточно близки, хотя при сильных полях характеристики
jc отличаются почти на порядок [23]. Отметим, что и для ВТСП-
керамики получается такая же картина: величина jc при Н = 0 в 2+5 раз
выше jc для Н = 8 105 А/м и более. Поэтому принципиально в
диффузорах нет смысла стремиться к максимально высоким полям, а
наоборот, необходимо ориентироваться на магнитные поля с малой
индукцией, так как это позволяет повысить плотность и силу тока
через сверхпроводники и, соответственно, уменьшить массу
сверхпроводящих проводов.
Как ни парадоксально, но и в будущем при применении ВТСП
необходимо тщательно сравнивать варианты с азотным и гелиевым
охлаждением. Это объясняется тем, что у известной ВТСП-керамики
сильная зависимость величины jc от температуры: для Т=77°К
величина jc в 10*20 раз меньше величины jc при Т= 4,2°К. А это
значит, что при гелиевом охлаждении можно увеличить силу тока в
10*20 раз по сравнению с азотным охлаждением, соответственно
уменьшая число витков, объем и массу сверхпроводника. А
уменьшение объема и числа витков сверхпроводника на порядок
уменьшает тепловой поток от Солнца к магниту-диффузору, что
облегчает охлаждение на гелиевом уровне. Поэтому может оказаться
так, что легче будет конструкция диффузора с гелиевым охлаждением
и большой силой тока, особенно при кратковременном ускорении КА и
охлаждении диффузора за счет запаса жидкого гелия в емкости.
2.2 ПАРАМЕТРЫ ДИФФУЗОРА
Рассмотрим конкретный вариант диффузора с расчетным
радиусом захвата плазмы гп=10,0 км при магнитном моменте М=
6,28Ю10Ам2.
47
Принимаем в качестве сверхпроводящего материала диффузора
- фольгу из сплава НТ-50 типа ФНТ-100/0.2, в идеальном случае
имеющую критический ток до 105 А, а в случае тщательной отработки
технологии изготовления - и до 2-105А. Учитывая необходимость
запаса по току (из-за большой длины провода, а также обеспечения
надежности работы), принимаем ток фольги 1в = 67000 А = 6,7-104А,
что соответствует плотности тока 3,35-109 А/м2. Число витков
соленоида диффузора
co = J/JB; (2.1)
где J - эквивалентный ток соленоида, обеспечивающий
получение магнитного момента М согласно данным таблицы 1.1.
Длина окружности одного витка
LB = 2 тс гм; м (2.2)
где гм - радиус магнита, и тогда примерная длина всех витков со,
то есть длина сверхпроводника (для варианта отдельных витков):
LA = LB-co; м. (2.3)
Подставляя данные, получаем следующие результаты,
приведенные в таблице 2.1.
Сравнение параметров диффузоров разных диаметров
Таблица 2.1.
Параметр Радиус магнита гм, м
100 126 160 316
Пеле магнита Нм,А/м 104 5-103 2,44-10? 3,16-10?
J.A 210? 1,24810? 7,81-10? 2-1O5
JBA 67000 67000 67000 67000
1_в,м 628,3 791,7 1005,3 1985,5
27 17 11 3
Цд, м 16964 13459 11058 5956
Видно, что увеличение радиуса магнита приводит к уменьшению
общей длины сверхпроводника, фольги, и, соответственно, его массы. И
это вполне понятно, учитывая, что магнитный момент диполя-диффузора
пропорционален квадрату гм2, а длина и масса сверхпроводника - радиусу
магнита гм, то есть увеличение гм в 2 раза приводит к увеличению М в 4
раза. Также отметим очень важное достоинство диффузора с малыми
полями - они позволяют работать с высокими плотностями токов, в 5*-10 раз
выше, чем для полей порядка 5 Тл, а это в сочетании с большими
размерами еще более позволяет уменьшить массу сверхпроводника. Сразу
отметим, что расчеты, которые здесь не приводятся, показывают, что
благодаря этому для другого варианта с гп = 4,64 км длина сверхпроводника
падает в 10 раз при увеличении гм с 10 м до 100 м.
Следовательно, если пренебречь увеличением размеров и массы
других элементов двигателя - системы малых магнитов и т.д., а также
48
отвлечься от проблемы сложности развертывания таких габаритных
систем, то оптимальным является применение магнитов большого радиуса.
При этом соленоид диффузора может быть как традиционной конструкции,
так и в виде отдельных витков, расположенных на расстоянии в 0,1+100 м
друг от друга. Дело в том, что соленоид в виде ряда отдельных витков
повышает надежность работы диффузора при длительной эксплуатации,
так как позволяет уменьшить вред от выхода из строя одного или
нескольких витков в результате каких-либо аварий типа случайного
попадания метеоритной микрочастицы в виток или случайный выход витка
из сверхпроводящего состояния.
В случае применения сплава NbeAl удается повысить плотность
тока в 1,5+2 раза по сравнению с НТ-50 и, следовательно, снизить
число витков в 1,5+2 раза и массу сверхпроводника в 1,3+1,7 раза (так
как NbsAI более тяжелый, чем НТ-50).
При использовании сплава NbNo.7Co>3, карбонитрида ниобия, с
его плотностью критического тока jc = 8-1010 А/м2, то даже с 2-кратным
запасом по току jc3 = 4-Ю10 А/м2, что в 12 раз выше параметров для
сплава НТ-50, и, соответственно, в идеальном варианте позволяет
снизить число витков у диффузора вплоть со=1. Также возможен
вариант и с сохранением числа витков с одинаковыми токами, но с
резким уменьшением площади фольги или провода, что приводит к
резкому уменьшению габаритов и массы всех элементов провода.
Возможно и повышение числа витков с малыми габаритами и
умеренными токами, то есть уменьшение радиуса магнитов.
Рассмотрим подробнее вариант диффузора с радиусом магнита
гм = 316 м.
а) 1 вариант. Сверхпроводник выполнен из фольги из сплава НТ-
50 типа ФНТ-100/0,2.
Диффузор представляет собой систему из 3-х отдельных витков
с общей длиной 1Д= 5956 м, что при сечении 100x0,2 ммхмм дает
объем сверхпроводника Х/дс = 0,1191 м, что соответствует массе
фольги Мдс = 762 кг (включая и сверхпроводник, и матрицу) для
сплава НТ-50.
Возникает вопрос о прочности такого габаритного магнита. Для
этого воспользуемся известными оценками для соленоида [19]. Магни-
тное давление или радиальное напряжение на внутренней обмотке
Р = ОДМоНм2; (2.4)
и после подстановки данных с Нм = 3,16-102 А/м получаем Р =
0,063 Н/м2. Напряжения оцениваются по аналогии с тонкостенными
осесимметричными оболочками, находящимися под внутренним
давлением Р, и определяются зависимостью
Ое = Ргм/5; (2.5)
где 8 = 0,2 мм = 2’КГ*м, толщина элемента - фольги, и для радиуса гм = 316
49
м получаем ое = 1(f Н/м2 = 0,1 Н/мм2. Эта величина в *1000+4000 раз
меньше предела упругости сплавов на основе титана и ниобия. Конечно,
более точный расчет может повысить в несколько раз или даже на порядок
эту величину ое- Однако очевидно, что в таких крупных магнитах с малым
магнитным полем даже применение тонкой фольги обеспечивает прочность
магнита. И значит, витки диффузора надежно имеют высокую прочность с
большим коэффициентом запаса даже для слоя в один виток. Это
означает, что не требуется наличия серьезной силовой оболочки,
воспринимающей нагрузку и разгружающей витки. А это резко упрощает
развертывание диффузора из сложенного состояния в КА до рабочего
положения с радиусом магнита гм = 316 м.
Сам провод диффузора с фольгой представляет собой
теплозащитную оболочку, в которой крепится фольга, а также
имеются каналы для прокачиваемого охладителя - жидкого гелия.
Примерная конструкция такого провода изображена на рис. 2.1.
Для такого провода с каналами для жидкого гелия сечением
100x1 и для длины LA имеем массу жидкого гелия до 150 кг.
Естественно, в случае необходимости сечение может быть как
уменьшено, так и увеличено с соответствующим изменением массы
жидкого гелия.
Рис. 2.1. Сечение провода диффузора
1 - фольга из сверхпроводящего сплава;
2 - канал для охлаждающего гелия;
3 - охватывающая герметичная оболочка;
4 - промежуточные теплозащитные экраны;
5 - внешний кожух; 6 - селективное покрытие.
Толщина и материалы оболочки и других элементов провода
определяются из условий теплозащиты сверхпроводящей фольги.
К вспомогательным элементам диффузора относят токовводы в
виде медных трубок, подводящих электроэнергию от источника
питания в магнит, и ряд других с общей массой 1+10 кг.
Уточним энергию магнитного поля диффузора, в приближении
для нормального проводника.
50
Для однослойной катушки, традиционного соленоида [20]
величина индуктивности
U = 3,95-10‘8rM2w2-k/l; Гн (2.6)
где коэффициент к = 0,2 для длины соленоида, равной -10% от
диаметра магнита, то есть I = 0,1-2гм = 62,8 м, отсюда получаем
Lc=1,13-10‘2 Гн. Отсюда для тока витка 1в = 67000 А из зависимости
(1.16) получаем WM = 2,54-107 Дж.
Для отдельных витков индуктивность кругового кольца
прямоугольного сечения, фольги с сечением ахб, согласно [20]
L = 4л-10’9- гм [ln(8 гм/(а+б))-0,5]; Гн (2.7)
где гм, а, б - в см, при этом для фольги получаем L = 3,82-10'3 Гн,
и согласно (1.16) для JB = 67000 А имеем энергию магнитного поля
одного витка \Л/МВ = 8,57-10® Дж, а для числа витков со = 3 получаем
уровень энергии магнитного поля диффузора WM = 2,57-Ю7 Дж, то есть
практически совпадает с энергией поля соленоида по зависимости
(2.6). Причем величина этой энергии примерно в 3,3 раза меньше, чем
энергия по грубой оценке в таблице 1.3.
б) II вариант
Сверхпроводник выполнен из сверхпроводящего модуля типа
МНТ-6/6-1200 с поперечным сечением 6x6 ммхмм из сплава НТ-50.
Такой модуль в слабом поле обеспечивает ток JB=25000 А (с
учетом запаса по сравнению с критическим током 35000*38000 А).
Отсюда согласно (2.1) получаем число витков со = 8. Тогда при LB
= 1985,5 м по зависимостям (2.2) и (2.3) имеем 1_д= 15864 м, при
площади провода - модуля 36 мм2 имеем объем провода \ХДС = 0,57 м,
при этом объем сверхпроводника составляет Vcc = 0,114 м3 и массу
740 кг, а остальные 80% или объем 0,456 м3 составляет алюминиевая
матрица массой -1254 кг, а общая масса провода составляет 1984 кг,
что значительно больше, чем в I варианте с фольгой. Конструкция
подобного провода изображена на рис. 2.2. Прочностные
характеристики магнита с таким проводом значительно выше, чем для
варианта с фольгой, а энергетические характеристики магнитного
поля практически одинаковы.
Итак, из сопоставления рассмотренных I и II вариантов
очевидно, что в космических условиях необходимо применять
сверхпроводники с минимальным содержанием матрицы (до 5+10% от
объема провода), а компенсировать уменьшение матрицы
необходимо применением обильного охлаждения легким жидким
гелием. Для этого необходимо применять тонкие сверхпроводники,
легко охлаждаемые гелием.
51
Рис. 2.2. Сечение провода диффузора с модулем
1 - сверхпроводящий модуль; 2 - канал для гелия;
3 - охватывающая герметичная оболочка;
4 - промежуточные теплозащитные экраны;
5 - внешний кожух; 6 - селективное покрытие.
Вполне понятно, что в земных условиях стремятся уменьшить
количество дорогостоящего охлаждающего жидкого гелия, и этому в
какой-то степени способствует и применение объемной матрицы из
высокотеплопроводного материала, эффективно отводящего тепло от
сверхпроводника в гелий. Однако в космических условиях для
охлаждения сверхпроводника диффузора более рационально
применять большие объемы легкого жидкого гелия, чем тяжелую
матрицу, даже в случае применения алюминия.
в) III вариант
Применение в качестве сверхпроводника тонкостенной трубы,
например, из сплава НТ-50 и фольги ФНТ-100/0,2, скрученной в трубу.
Принимаем, что труба изготовлена из фольги ФНТ-100/0,2, причем
длина окружности трубы равна 100 мм, что соответствует диаметру
трубы с!» = 3,18 мм, при толщине 0,2 мм. При этом все электрические
параметры диффузора аналогичны приведенным в I варианте для
плоской фольги, а также одинакова и масса трубы Мдо = 762 кг при
одинаковых длинах LB и LA. Отличие от I варианта в том, что
тонкостенная труба позволяет уменьшить габариты внешнего кожуха
и ее площадь. Подчеркнем, что принципиально труба может иметь
любую форму - эллипс и т.п., однако круг - наиболее простая и
технологичная форма. При этом труба позволяет расширить
конструкторские возможности за счет появления дополнительных
схем охлаждения.
Конструкция провода со сверхпроводящей трубой аналогична
известным по I и II вариантам и включает внешний кожух и
промежуточные теплозащитные экраны, а также трубу с окружающими
ее элементами. Однако здесь появляется большое количество
конструкций, связанных со схемой охлаждения сверхпроводника.
Основные схемы, без указания обязательных промежуточных экранов
и кожуха, приведены на рис. 2.3.
52
Рис. 2.3. Схемы охлаждения сверхпроводника в проводе
1 - сверхпроводник; 2 - жидкий гелий;
3 - герметичная оболочка; 4 - внутренняя оболочка
а) внешнее охлаждение сверхпроводника;
б) внутреннее охлаждение сверхпроводника;
в) внутреннее и внешнее охлаждение сверхпроводника при
наличии внутренней оболочки;
г) внешнее и внутреннее охлаждение сверхпроводника;
д) внутреннее охлаждение сверхпроводника при наличии
внутренней оболочки.
Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Так,
одновременное внутреннее и внешнее охлаждение сверхпроводника
по схемам в) и г) обеспечивает высокую надежность охлаждения и
работы сверхпроводника при большом количестве гелия. А ввод
внутренней оболочки по схемам в) и д) позволяет уменьшить объем и
массу жидкого гелия, однако при этом встает вопрос о герметичности
такой оболочки, тем более в условиях перепада между давлением
жидкого гелия в канале и вакуумом внутри оболочки 4. Более просты
схемы а), б) и д), в которых сверхпроводник выполняет также и
функции силового элемента, удерживающего гелий. При этом схема б)
предельно проста, однако здесь масса гелия велика. В общем, можно
приводить много плюсов и минусов каждой схеме.
Представляется, что схемы а) и б) вполне применимы для трубы из
фольги ФНТ-100/0,2 и сплава НТ-50. А для сверхмощных токов и
плотностей тока для сплава NbN0,7C03 и им подобных главным является
обеспечение надежности охлаждения, и здесь обязательны схемы в) или г),
с одновременным внутренним и внешним охлаждением.
Отметим, что по схеме б) для диаметра = 31,8 мм согласно
зависимости (2.5) для давления жидкого гелия 105Н/м2 напряжение
= 8 106 Н/м2 = 8 Н/мм2, что значительно меньше предела прочности
сверхпроводника. Следовательно, такая тонкая сверхпроводящая
труба вполне способна работать с жидким гелием вплоть до давления
(2+5) 105 Н/м2 = 0,2+0,5 Мпа.
53
Оценим количество жидкого гелия по различным схемам. Для
внутреннего канала по схемам б) и г) с диаметром трубы dcc=31,8 мм
сечение имеет площадь 784 мм2, что для длины 1_д дает объем -4,7 м3
и массу гелия -570 кг.
Для внешнего охлаждения сверхпроводника с движением гелия
в щели шириной 2 мм по схемам а) и б) сечение площадью 210 мм2,
то есть для длины !_д масса жидкого гелия 152 кг.
Отметим, что герметичная оболочка имеет толщину 0,2+0,5 мм,
и при длине !_д объем материала 0,132+0,332 м3, что при использова-
нии алюминия дает массу 338+912 кг.
Внутренняя оболочка, оставляющая зазор 2 мм для гелия, имеет
диаметр 27,8 мм, и при толщине 0,2+0,5 мм для длины Ц объем
материала 0,104+0,261 м3 и для алюминия имеет массу 286+717 кг.
Следовательно, выбор предпочтительной схемы определяется
прежде всего технологией изготовления элементов провода. При
возможности использовать тонкие оболочки толщиной 0,2 мм
наименьшую массу обеспечивает схема д), а при невозможности
использования таких тонких оболочек предпочтительнее схема б),
которая для принятых в примере абсолютных значений обеспечивает
общую массу провода: трубы вместе с жидким гелием в 908+1412 кг.
Сравнивая I-III варианты, отметим, что применение найдут все
варианты, так как у каждого варианта есть свои достоинства и недостатки.
Представляется, что I и II варианты с малым количеством гелия
оптимальны для длительного ускорения КА с использованием холодильной
машины, обеспечивающей отвод тепла от нагретого гелия и его
многократное прокачивание через провод. Ill вариант также применим для
работы с холодильной машиной, однако схемы б) и г) позволяют работать с
большими количествами жидкого гелия, и фактически в них
сверхпроводящая труба выступает в качестве резервуара гелия,
обеспечивая при хорошей теплозащите достаточно длительное ускорение
КА без использования холодильной машины, что резко упрощает
конструкцию КА.
2.3 ТЕПЛОЗАЩИТА ДИФФУЗОРА
Оценим тепловой режим дисМ>узора. Его витки находятся на расс-
тоянии порядка 10+320 м от КА с его относительно невысокой
излучательной способностью и температурой, поэтому в первом
приближении можно пренебречь тепловым излучением от КА к диффузору.
И основным источником тепла является солнечное излучение с солнечной
постоянной So, равной на орбите Земли величине 1367 Вт/м2.
Возможны разные положения витков относительно Солнца. Одним из
положений является размещение витка всей плоскостью к Солнцу согласно
рис. 2.4 приводящее к максимальному тепловому потоку.
54
Рис. 2.4. Поверхность витка, воспринимающего излучение
1 - виток диффузора; 2 - солнечное излучение.
При этом общая максимальная площадь проекции витка на
плоскость, перпендикулярную направлению солнечных лучей, или
эффективный мидель поглощающей поверхности для всех витков
Fcm “ 2 гм а со, (2.8)
где а - ширина или габаритный размер внешнего кожуха провода;
со - число витков, подвергающихся воздействию излучения.
Минимальный тепловой поток к виткам наблюдается в случае, когда
витки, их общая ось строго направлена на Солнце согласно схеме на рис.
2.5. Здесь солнечное излучение воспринимает только первый виток, а
остальные витки диффузора прячутся в его ’’тени”, тогда фактически
облучается один виток, то есть со = 1, и минимальная площадь
FCM = 2л гм Ь, (2.9)
где b - толщина или габаритный размер внешнего кожуха витка
для магнита-диффузора с радиусом гм. Таким образом, в зависимости
от положения витков диффузора относительно Солнца эффективный
мидель витков, их площадь для восприятия солнечного излучения ме-
няется в пределах FCM - FCM.
Рис. 2.5. Поверхности витков, воспринимающие излучение
1 - витки диффузора; 2 - солнечное излучение..
Рассмотрим общие параметры для всех вариантов витков.
Исключительно важное значение имеет селективное покрытие внеш-
него кожуха. Это связано с тем, что солнечное излучение передает
основную энергию в диапазоне волн от 0,2 до 2,5 мкм, а интенсивно-
сть собственного излучения имеет максимум, например, при длине во-
лны 9,7 мкм для температуры 300°К. Поэтому здесь применяют
известные селективные покрытия для усиленного отражения
солнечного света и уменьшения его поглощения при одновременном
55
усилении инфракрасного излучения поверхности кожуха. Здесь
допустимо применение любых покрытий, в том числе многослойных,
для максимального снижения теплового потока к сверхпроводнику.
Отметим, что известно большое количество различных селективных
покрытий, в частности, интересна система из металлической подложки
(здесь - алюминиевая фольга толщиной 10+100 мкм), к которой
приклеена через слой серебра или алюминия (толщиной *1 мкм)
стеклопленка толщиной -150 мкм, при этом стеклопленка приклеена
металлизированной стороной к подложке, и эта система имеет
коэффициент излучения поверхности е = 0.90, а коэффициент
поглощения солнечной радиации as=0,06+0,07 [21]. И именно эта
система принята для расчета теплового режима диффузора, хотя,
естественно, возможны и другие известные селективные покрытия с
высокой эффективностью.
Основной характеристикой поверхности является равновесная
температура Тр, которую принимает теплоизолированная поверхность
при прямом воздействии на нее солнечного излучения в стационарных
условиях. Из условия теплового баланса [22] следует
Tp=JF<^-A °К (2.10)
\ ^ТВ ‘ ‘
где о = 5,67-Ю"8 Вт/м2, постоянная;
FCB - эффективный мидель витка, соответствующий значениям
Fcm или FCH, в зависимости от положения витков диффузора;
FTB - площадь излучающей поверхности внешнего кожуха; а
величины Os = 0,07 и е = 0,90.
Для внешнего кожуха витка из трубы с поверхностью тора
площадь такой поверхности
Ftb = 4л2 • ГМ Al = 39,48 • гм • /2; (2.11)
где - наружный диаметр кожуха. Этот кожух излучает и
внутрь, и здесь площадь FTB становится площадью излучателя Fr=FTB.
И здесь величина излучаемого теплового потока оценивается по
зависимости:
WBK = eTaTp4Fr; (2.12)
где ет - степень черноты внутренней поверхности кожуха,
зависящей от применяемой технологии обработки поверхности. Для
алюминиевой промышленной фольги можно получить ет от 0,008
(отожженная) до 0,1 в случае механически очищенной до блеска [21],
а здесь принимаем ет = 0,011+0,013 для диапазона Т = 100-160ФК [23]
в случае электрополированной поверхности.
В общем случае количество теплоты, передаваемой
лучеиспусканием между двумя поверхностями [19]:
56
Q=en aCV-T/j F,; (2.13)
где £n - приведенный коэффициент теплового излучения;
Т2 - температура внешнего кожуха как излучателя, Т2 = Тр;
Ть F! - температура и площадь герметичной оболочки вокруг
сверхпроводника. Здесь можно пренебречь вкладом составляющей
Ti=4*K. При этом поверхности имеют малую шероховатость, полиро-
ваны, а длина волны даже при 100°К равна ~30 мкм, что значительно
превышает высоту микронеровностей поверхности. Поэтому здесь
происходит зеркальное отражение теплового излучения, и в этом слу-
чае приведенный коэффициент теплового излучения [19]:
е - £г£т
ет +0“^т) ,£г
(2.14)
где ег - коэффициент излучения поверхности герметичной
оболочки;
ет - коэффициент излучения внутренней поверхности кожуха. Для
традиционной алюминиевой фольги для кожуха £т = 0,011+0,013 при
температуре 100-160^К. Для герметичной оболочки из традиционной меди
при 4,2°К и ег = 0,0062+0,0069, в зависимости от технологии полирования
поверхности. Однако большое внимание привлекает ниобий, который при
4,2ФК имеет величину Ег = 0,00045 в нормальном состоянии, и ег = 6-10* в
сверхпроводящем состоянии [21]. Здесь же принимаем для оценки самый
неблагоприятный вариант, что поверхность герметичной оболочки с
ниобиевым покрытием имеете е<- = 0,00045, тогда £п=0,00042. Результаты
расчетов параметров теплового режима приведены в таблице 2.2., при
этом для фольги приведено 2 варианта - в оптимальном и самом
неблагоприятном положении фольги.
Параметры теплового режима диффузора
Таблица 2.2.
Параметр Варианты конструкции провода дифс эузора
фольга модуль 6x6 ммхмм труба, 0 31,6 мм
31, мм 120 20 50
витки со. шт. 3 8 3
Еси. М2 227 101 94.8
Ь, мм 10 20 50
Fcm. М2 19.85 39,7 99,2
dia, ММ 120x10 ммхм 20 50
R». м2 75.6/19.85 39.7 99.2
Ftb, М2 516,1 124,8 311,8
Тп расчёт.. иК 129/92 157 156
Тп реальн.. °К 140/100*105 160*165 160*165
WBr, Вт 438/39
Fi,m2 07
Q, Вт 3,7/1,18
57
Таким образом, для оптимального положения витка из фольги
имеем температуру Тр = 92°К, а учитывая маломощное излучение от
поверхностей КА и Земли, реальная величина температуры Тр =
100+105° К. Также и для других вариантов провода реальная Тр выше
расчетной. Однако и этот тепловой поток Q уменьшается благодаря
вводу промежуточных теплозащитных экранов, выполненных в виде
системы тонких пленок в количестве 5+20 штук. Возможно применение
любых материалов для таких экранов, используемых в технике, и
обеспечивающих эффективное снижение в 2+3 раза теплового потока
к оболочке.
Итак, при оптимальном положении витков с фольгой имеем тем-
пературу внешнего кожуха Tzp1 = 105°К с перспективой снижения до
-70°К и тепловой поток от кожуха к герметичной оболочке -0,6 Вт.
Причем этот тепловой поток выделяется в основном только в одном
витке, ближайшем к Солнцу. В реальности, когда витки диффузора
могут изменять свое положение относительно оси к Солнцу на угол до
30+45° от оптимального, реальный поток составит до 1 Вт. А учитывая
подвод тепла через вспомогательные элементы - подвески, опоры,
трубки и т.п., реальный тепловой поток порядка 2 Вт. При этом допус-
тима и кратковременная работа в худшем варианте с Q = 3,7 Вт на
один виток, что для 3-х витков диффузора в этом положении дает те-
пловой поток EQ = 11,1 Вт, или с учетом промежуточных теплозащит-
ных экранов величина EQ = 5,6 Вт, а с учетом подвода тепла через
вспомогательные элементы реальный поток порядка 6*7 Вт. Здесь
охлаждение сверхпроводящей фольги осуществляется за счет погло-
щения тепла массой жидкого гелия, за счет теплоемкости и фазового
перехода гелия.
Оценим массовые характеристики витков с фольгой. Принимаем
внешний кожух из алюминиевой подложки толщиной -50 мкм, на кото-
рой закреплена стеклопленка в 150 мкм через алюминиевый слой в 1
мкм. Промежуточные теплозащитные экраны на основе майлара с
микронными металлическими покрытиями имеют общую толщину
-200 мкм. Охватывающая герметичная оболочка вокруг сверхпровод-
ника выполнена из алюминия толщиной -200 мкм с ниобиевым покры-
тием в 1+10 мкм. Для этих условий масса элементов одного провода
-640+807 кг (верхний предел для титановой оболочки вокруг сверх-
проводника), а для всех 3-х витков масса провода -1920+2421 кг, в
среднем 2200 кг.
Для II и III вариантов конструкции витков диффузора его масса
имеет тот же уровень, несмотря на различное соотношение масс эле-
ментов сверхпроводящего провода (например, для провода-модуля
малые габариты элементов провода компенсируется увеличенной 1_д и
58
большой массой сверхпроводника, и Мдв = 3100+600 кг, где допуск
связан с их конструктивными особенностями. Безусловно, переход на
более эффективный сверхпроводник типа NbNojCo.a ведет к умень-
шению габаритов и массы витков Мдв практически на порядок. И это
уменьшение массы более существенно, чем за счет подбора опти-
мальных конструкций из I, II и III вариантов для НТ-50 или т.п.
Оценим возможность охлаждения сверхпроводника за счет жид-
кого гелия. За счет теплоемкости жидкий гелий с начальной темпера-
турой 3,2°К при нагреве до 4,2°К поглотит порядка 3550 Дж.
Однако сверхпроводники сохраняют сверхпроводящие свойства
до температуры 1О*18°К. Поэтому возможно охлаждение витков па-
рожидкостной смесью или паром гелия. При этом испарение, переход
жидкость - пар имеет теплоту перехода АН = 0,0837 кДж/моль =
20,9-103 Дж/кг [23]. И за счет перехода 1 кг жидкого гелия диффузор
может охлаждаться в течение -104 с при подводимой мощности 2 Вт.
Это особенно перспективно для КА с большими запасами жидкого ге-
лия и без холодильной машины, в частности, для варианта витков со
сверхпроводящей трубой, где запас гелия достигает 570+720 кг. Вп-
рочем, и в варианте витков с фольгой возможно повышение запасае-
мого жидкого гелия за счет увеличения щели в охватывавшей герме-
тичной оболочке. И при этом для массы гелия -600 кг обеспечивается
охлаждение витков за счет нагрева гелия с 3,2 до 4,2°К в течение 300
часов, а за счет теплоты перехода в течение -1500 часов, а также за
счет нагрева пара до 6+10°К - еще в течение -500 часов, и в итоге по-
лучаем время охлаждения -2300 часов = 95 суток = 3 месяца. Этого
вполне достаточно для кратковременных полетов или ускорения КА в
одном направлении, например, без последующего торможения или
торможением другим способом (за счет гравитации планет и т.п.).
Для длительного отвода тепла от нагревшегося гелия, текущего
от витков диффузора, необходима холодильная машина. Существует
несколько разновидностей таких машин на температуру -4°К: двухде-
тандерная с дросселем ("Эйр Продакс") на криогенном цикле Клода
плюс Джоуля-Томсона, а также газовая машина с дроссельным конту-
ром серии Криодайн ("Криоджение Технолодж") на криогенном цикле
Гиффорда - Мак-Магона и Джоуля-Томсона и другие аналогичные ма-
шины различных конструкций. Для холодильной мощности 2,1 Вт на
4,5°К потребляемая мощность подобных установок 3000+3500 Вт при
массе в 250+400 кг, в зависимости от совершенства конструкций и
применяемых материалов [19]. Отметим, что для очень совершенных
конструкций достижим уровень, при котором на 1 Вт отводимого тепла
на гелиевом уровне требуется затратить до 500*800 Вт мощности
привода машины [24].
59
Однако сейчас широко используют и емкости с жидким гелием,
расходуемым и невосполняемым в процессе работы. Так, известен
криостат для охлаждения узлов ИК-телескопа на спутнике ISO. Крио-
стат имеет ресурс работы на орбите в 18 месяцев, при рабочей тем-
пературе в гелиевой ванне 1,8°К [35]. Известна и криогенная система
комплекса ASTROMAG, в который входит сверхпроводящий соленоид
диаметром 2м, снабженный криогенной системой охлаждения, причем
бак для жидкого гелия обеспечивает хранение в течение 3-х лет [26].
Поэтому выбор - применять или не применять холодильную ма-
шину, определяется эффективностью теплозащиты витков диффузо-
ра, так как принципиально нет ограничений по длительности охлажде-
ния витков, вплоть до 2+3 лет, за счет запаса жидкого гелия и сниже-
ния тепловой нагрузки на витки диффузора.
Итак, можно сделать вывод, что, несмотря на внушительные га-
бариты диффузора, его теплозащита не представляет затруднений и
соответствует современному уровню техники низких температур.
2.4 ПРОЧНОСТЬ ВИТКОВ ДИФФУЗОРА
Расчетная схема диффузора представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Схема диффузора
1 - витки с током; 2 - сверхпроводник; 3 - герметичная оболочка.
Ранее в параграфе 2.2 по зависимости (2.5) определили напря-
жение в витках от внутреннего давления магнитного, поля р, при
этом Ge = 0,1 Н/мм2, что в тысячи раз меньше предела упругости спла-
вов на основе титана и ниобия, а также NbNoi7Coi3.
Однако необходима проверка и по деформации витка согласно
общей зависимости для коротких оболочек [27]:
<0о = qd2/Eh; (2.17)
где d - радиус срединной поверхности, см, и d = гм = 316 м;
Е - модуль упругости, МПа;
h - толщина оболочки, и здесь h = 8 = 0,2 мм;
q - распределенная нагрузка, приложенная к срединной поверх-
ности оболочки, и здесь совпадает с внутренним давлением магнитно-
го поля согласно зависимости (2.4). При Е = 100 ГПа получаем со0 =
60
0,31 мм, и эта деформация пренебрежительно мала по сравнению с
величиной гм.
Итак, для сверхпроводящей фольги, а тем более для других бо-
лее прочных конструктивных вариантов сверхпроводника в виде мо-
дуля или трубы, напряжение и деформация от внутреннего магнитного
давления не представляет опасности при длительной работе, несмот-
ря на внушительные габариты диффузора.
Также имеется опасность от взаимодействия витков между собой,
особенно для варианта диффузора из отдельных витков. В частности, в
местах крепления крайних витков возникают опасные изгибные нап-
ряжения, при большом максимальном прогибе крайних витков. Для из-
бежания таких неблагоприятных воздействий на виток необходимо:
- стремиться упростить конструкцию диффузора, переходя на один
виток, для этого необходимо переходить на большие величины токов как за
счет увеличения сечения сверхпроводника, так и за счет применения более
эффективных сверхпроводников типа NbNo,7Co,3;
- увеличить жесткость герметичной оболочки в крайних витках диф-
фузора, воспринимающей силу от защемленной в ней фольги, или вводя
дополнительный силовой элемент из высокомодульных легких материалов,
или резко увеличивая толщину герметичной оболочки;
- ввести распорки, выполняющие функции жестких опор.
Принципиально возможны и другие конструктивные решения.
Для конкретной рассматриваемой фольги наиболее реально и просто
применение распорок, показанных на рис. 2.7., при этом распорки обоими
своими концами упираются в герметичные оболочки вокруг сверхпроводни-
ка (внешний кожух и промежуточные теплозащитные экраны не показаны).
Эти распорки выполнены из высокомодульных материалов типа стали,
композитов на основе углеродных или борных волокон и т.п. а также берил-
лия или его сплава (отметим, что идеальный вариант - поликристалличе-
ские алмазные стержни с модулем упругости до 800 ГПа).
Рис. 2.7. Схемы распорок
а) прямоугольного сечения; б) ребра жесткости; в) кольцо.
61
В предельном варианте распорки Np = 1, то есть это единая
кольцевая распорка по варианту в) на рис.2.7. Такое сечение распорки
вполне допустимо для близкого расположения проводников. Однако
из-за меньшей массы конструкции перспективнее варианты распорок в
виде ребер жесткости по б) или прямоугольных трубок по а) на рис.
2.7. При этом за счет увеличения расстояния между витками обеспе-
чивают комфортный режим работы сверхпроводников, фольги за счет
уменьшения взаимодействия между витками.
Опуская методику оценок взаимодействия между витками, а так-
же устойчивости стержней-распорок, для примера считают число рас-
порок Np = 1000. И каждая распорка выполнена в виде тонкостенной
трубки прямоугольного сечения с Н = 10 мм и h = 9 мм при величине
момента инерции lT = 0,13-10* м4. И для всех 2000 стержней между 3-
мя витками для бериллия имеем массу ~26 кг, а с учетом теплозащи-
ты ~50 кг. При этом даже грубая (без учета жесткости фольги) оценка
прогиба витков диффузора между каждыми двумя опорами-
распорками дает величину в несколько сантиметров. Следовательно,
в случае необходимости и принимаемых конструктивных решений мо-
жет использоваться любая схема по рис. 2.7. для обеспечения боль-
шого количества опор между витками и уменьшение прогиба витков.
Таким образом, прочность диффузора обеспечивается с помощью из-
вестных конструкций при вполне небольших массах конструкции (по-
рядка 50+100 кг).
Из других силовых элементов диффузора отметим силовую балку
крепления элементов двигателя, представляющую собой короткую балку с
длиной, примерно равной длине диффузора или чуть длиннее. Эта балка
представляет собой, например, жесткую трубу из композитов или бериллия,
с теплозащитой, диаметром трубы до 50...100 мм и толщиной стенок до 2+5
мм, массой до 10+50 кг. В ней проходят коммуникации подвода и отвода
жидкого гелия в герметичные оболочки витков со сверхпроводником, систе-
ма подвода электрической энергии к сверхпроводникам. К этой балке кре-
пится и балка крепления обруча от системы магнитов, удерживая систему
магнитов в пространстве относительно диффузора.
2.5 ПАРАМЕТРЫ ОТРАЖАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ МАГНИТОВ
Система малых магнитов, отражающая плазму от диффузора,
установлена перед диффузором на некотором произвольном расстоя-
нии, а в пределе даже в плоскости на входе диффузора, в плоскости
первого витка диффузора. Рассмотрим параметры системы магнитов
для варианта с захватом плазмы диффузором и ее отражением ма-
лыми магнитами по схеме на рис. 1.2.
62
Для рассматриваемого базового варианта магнита с радиусом
диффузора гм = 316 м и полем Нм = 316 А/м при радиусе захвата
плазмы гп = 10 км с концентрацией свободной плазмы n = 107 м’3 при
движении плазмы происходит повышение концентрации в диффузоре
до величины nM = 1О10 м'3 и среднего давления р™ = 2,6710е Н/м2. При
этом согласно (1.12) требуемое дополнительное магнитное поле
ДН>1,8 А/м, а с учетом запаса на различные отклонения параметров
плазмы ДН ~ 7 А/м. Значит, для отражения плазмы необходимо, чтобы
дополнительное магнитное поле превосходило внутреннее магнитное
поле диффузора не менее чем на Нпу = ДН = 7 А/м.
Магнитная система из малых магнитов для отражения плазмы
принципиально может быть выполнена из сверхпроводящих соленои-
дов или постоянных магнитов.
Достоинством сверхпроводящих магнитов является малая масса
магнитов по сравнению с постоянными магнитами. Однако есть и не-
достатки: сложность подвода энергии ко многим тысячам магнитов,
расположенных на большой площади; сложность организации охлаж-
дения этих сверхпроводящих соленоидов, расположенных вдали друг
от друга. А это приводит к резкому усложнению конструкции систем
подвода энергии и охлаждения, снижает надежность работы устройст-
ва. Возможно, в будущем, когда высокотемпературные сверхпровод-
ники позволят обойтись практически без охлаждения, такие соленои-
ды и найдут применение в подобных магнитных системах.
Более привлекательной в настоящее время выглядит система из
постоянных магнитов, пусть и более тяжелая по отношению к соленои-
дам, но зато предельно простая, не требующая охлаждающих комму-
никаций и затрат энергии. Ее и принимаем к рассмотрению, считая
оптимальной для данных условий работы системы магнитов.
Из свойств материалов магнитов главным является высокая за-
пасаемая энергия магнитного поля материалом, а кроме того, ничтож-
ное или слабое воздействие поля диффузора на магнит. Этим требо-
ваниям наиболее полно удовлетворяют материалы с использованием
редкоземельных материалов. Из многочисленных марок материалов
отметим КС 37 с Нсм = 1300 кА/м и запасаемой энергией до 70 кДж/м3,
серийно выпускаемый еще с конца 70-х годов. Однако наиболее пер-
спективно применение сравнительно нового класса магнитных мате-
риалов, разработанного и освоенного в производстве в 80-х годах,
представляющие собой сплавы РЗМ - Fe - В, например,
Dyz.sNdisFeTsBT.s. Сплавы такого типа обеспечивают рекордные маг-
нитные свойства с энергией до 300+405 кДж/м3 и Нсм = 800+1600 кА/м
[29].
Чертеж типичного одного магнита представлен на рис. 2.8.
63
Рис. 2.8. Магнит системы
а) крепление тросом; б) крепление на трубке;
1 - шайба из магнитного материала; 2 - элемент крепления.
Здесь каждый магнит представляет собой шайбу, кольцо, где на-
ружный диаметр ch = 2 гму, а внутренний диаметр шайбы равен d2. При
этом объем магнитного материала с сечением шайбы Sm1 и длиной
шайбы 1Ш составляет для одного магнита:
VM1 = 1ш- SM1 = llu % (d12-d22)/4; (2.18)
и этот объем позволяет определить массу одного магнита mMi с уче-
том плотности рм = 7,8-103 кг/м3, расчетной плотности магнитного ма-
териала для оценки их массы. Для шайбы проницаемость формы
m = маЛаЛ (2.19)
Величина намагниченности
Мм = т-Нр - Нсмт; (2.20)
где Нсм = 1500 кА/м, принимаемая величина для современных
магнитных материалов. Величина индукции в центре шайбы
Вому = ИоМм1ш(1/бг1/а2); (2.21)
где Цо = 4я-10’7 Гн/м, магнитная постоянная [28]. Принимаем ве-
личину ВОМу = 0,1256 Тл (что соответствует Нму = 105 А/м » 103 А/м), а
проницаемость формы m = 3,273 для выбранного соотношения диаме-
тров ch/ds =1,2. Распространение магнитного поля шайбы вдали от нее
с гпу и г^пу в 2-х плоскостях согласно разделу 1.5 и площадью Sny соот-
ветствует магнитному полю диполя и определяется по зависимости
(1.7) при условии Нп = Нпу = 7 А/м. Принимаем, что площадь отражения
плазмы системой магнитов примерно равна площади диффузора с SM
= 3,136-Ю5 м2 для гм = 316 м. В первом приближении количество маг-
нитов системы определяется соотношением площадей
N = SM/Sny; (2.22)
где Sny - средняя площадь отражения плазмы одним магнитом
при радиусе отражения гпу. А по количеству магнитов N с массой каж-
дого тм1 легко определяется общая масса магнитов mM = N- тм1.
Сравнение характеристик системы малых магнитов с разными
размерами (при одинаковом т) приведено в таблице 2.3.
64
Параметры системы малых магнитов Таблица 2.3
Параметр Внешний диаметр магнита di, м
0,25 0.12 0,06 0.03 0.01 0.003
Внутренний диаметр магнита, cfe, м 0,208 0,10 0,05 0,025 8,33- 10* 0,0025
Величина намагни- ченности, Мм А/м 4,9610е А/м
Длина магнита 1м, м 0,025 0,012 0,006 0,003 0,001 0,0003
Площадь сечения магнита, SM1, м2 0,015 3,456 •1СГ3 8,64- •ю-4 2,16 •ia4 0,2404- •ю-4 2,16 10*
Объем магнита, VMi, м3 3,75- •1СГ4 4,147- •10* 5,18 •10* 6,48- -107 2,404 10* 6,46 1O’10
Масса одного магнита, mMi, кг 2,92 0,323 0,0404 5,05- -ЮГ3 1,875 •ю-4 5,OS- IO*
Радиус отражения плазмы гпу, м 3,033 1,455 0,728 0,364 0,121 0,0364
Радиус отражения плазмы Ипу, м 2,396 1,150 0,575 0,288 0,0959 0,0288
Площадь отражения плазмы, ShV, м2 29,06 6,696 1,674 0,4185 0,0465 0,004185
Количество магнитов, N, шт. 10,79- 103 46,8 103 1,87- •10? 7,49- •10? 67,4-'IO!’ 7,923 107
Общая масса магни- тов системы, тм, кг 31,5 •103 15,1 103 7,55- 10? 3,78 •10? 1,264 10? 400
Рассматривая результаты расчетов в таблице 2.3, вполне оче-
виден вывод, что наименьшую массу магнитной системы обеспечива-
ют магниты с минимальным диаметром. Это объясняется тем, что та-
кая система обеспечивает минимальный объем магнитного поля в уз-
кой зоне вокруг плоскости системы магнитов, резкую границу для по-
тока плазмы. И в результате получается своеобразная сеть, кольчуга.
Отметим, что здесь рассмотрена типичная простейшая форма магни-
тов - шайба, однако возможны и более сложные и оптимальные формы,
обеспечивающие увеличение магнитного поля, например, магнитный поток
для цилиндрических магнитов на 12,6 % меньше, чем для эллипсоида тако-
го же объема [28], и т.п. конструктивные усовершенствования. Предельным
вариантом является нетрадиционная система магнитов в виде длинных
тонких нитей, образующих решетку или сеть (типа теннисной ракетки), от-
ражающие плазму.
Сразу рассмотрим и качественную зависимость массы магнитов
65
от радиуса магнита диффузора. Принимаем, что диффузор имеет
одинаковый магнитный момент, обеспечивающий захват плазмы с ра-
диуса гп и ее среднюю концентрацию пм на радиусе магнита гм. При
этом отражение плазмы происходит с площади, равной площади
диффузора SM, а сами малые магниты неизменны.
Изменение радиуса диффузора гм приводит к изменению площа-
ди SM, куда концентрируется плазма, и, соответственно, изменяется
давление плазмы ргм, и требуемое дополнительное магнитное поле
малых магнитов Нпу * ДН по зависимости (1.12). Опуская промежуточ-
ные выкладки, отметим, что получается зависимость
IWN^^/r^; (2.23)
где Ni - количество магнитов отражающей системы при начальном гм1;
N2 - количество магнитов при измененном радиусе диффузора гм2.
При этом, например, для применяемого малого магнита с внеш-
ним диаметром 0,01 м при гМ1 = 316 м имеем Ni = 6,74-10е, а для гМ2 =
100 м получаем N2 = 2,13-10^ , с соответствующим уменьшением мас-
сы магнитов системы в 3,1 раза, а также уменьшаются габариты и
масса конструктивных элементов системы. Следовательно, уменьше-
ние радиуса диффузора и площади отражаемой плазмы приводит к
уменьшению массы и количества магнитов системы. А увеличение гм2
по сравнению гм1 = 316 м вызывает соответствующее увеличение ко-
личества и массы магнитов отражающей системы. И в этом состоит
коренное отличие от зависимости по массе сверхпроводящего диф-
фузора, которая падает по мере роста гм согласно таблице 2.1. И уве-
личение массы системы магнитов при увеличении гм ограничивает
возможности уменьшения массы диффузора за счет применения
сверхпроводника с увеличенным гМ| поэтому имеется оптимальный
размер диффузора гм, при котором обеспечивается минимальная
суммарная масса диффузора и отражающей системы малых магни-
тов.
Безусловно, существует и технологический предел для магнит-
ной системы. Так, согласно таблице 2.3 наименьшую массу имеют
магниты с внешним диаметром ф = 0,003 м = 3 мм, с толщиной стенки
0,25 мм и длиной (толщиной) магнита 0,3 мм. При этом необходима
сборка 79,23 млн шт. магнитов, что повышает трудоемкость сборо-
чных работ по изготовлению системы магнитов. Однако дальнейшее
уменьшение размеров магнитов ниже di = 3 мм дает небольшой эф-
фект по уменьшению массы системы с резким возрастанием техноло-
гических сложностей. Поэтому необходимо и допустимо использова-
ние магнитов с di = 10 мм или di = 3 мм, но не большего и, одновре-
менно, не меньшего диаметров, и именно эти диаметры в этом диапа-
зоне являются оптимальными.
66
Далее здесь для примера рассмотрим традиционные магниты в
виде шайб с di = 0,003 м. Площадь поверхности одного такого магнита
равна S06 = 9,51 10'6 м2.
Все поверхности каждого магнита покрывают алюминиевой
фольгой (краской) толщиной 10+50 мкм (например, приклеивают, кра-
сят и т.п.). Введение слоя алюминия обеспечивает нормальный тем-
пературный режим магнита за счет отражения основной части солнеч-
ного излучения. А главное, благодаря высокой теплопроводности
алюминия даже поглощенное солнечное излучение быстро и равно-
мерно распределяется по всему объему фольги или слоя, тем самым
обеспечивая равномерный подвод тепла к поверхности и создавая
нормальные условия работы для магнитов.
Рассмотрим тепловой режим работы магнитов. Равновесная
температура Тр определяется зависимостью (2.10), где эффективный
мидель или площадь поверхности, воспринимающей солнечное излу-
чение при оптимальном положении диффузора, Fe=9-1(T7 м2, а пло-
щадь излучения FTB=So6=9,51-10'e м2. Отметим, что алюминий позволя-
ет получить широкий диапазон параметров поверхности а$ и е благо-
даря различным методам обработки поверхности. Здесь принимаем,
что поверхности алюминия имеют ав = 0,42 и е = 0,21 [21]. Тогда по
(2.10) получаем величину Тр=260°К, то есть вполне нормальна для ра-
боты постоянных магнитов. Естественно, возможны и другие виды об-
работки поверхности фольги, обеспечивающие температуру магнитов
Тр = 250+300°К.
Итак, общая масса магнитов с алюминиевой фольгой или крас-
кой составляет 420+504 кг.
Конструкции магнитной системы и схема крепления магнитов могут
быть различными, и, например, элементы трех схем крепления схематично
представлены на рис. 2.9.
Подчеркнем, что лишь реальные эксперименты смогут опреде-
лить оптимальное положение магнитов по плоскости системы. А при
детальном конструировании такой системы можно лишь оценить рас-
пределение магнитов с помощью расчетов на компьютере. Дело в
том, что в реальности величина давления плазмы ргм - это средняя
величина, и она значительно меньше на периферии системы магни-
тов и значительно выше в центральной области системы.
67
Рис. 2.9. Схемы крепления магнитов на внешнем контуре
1 - обруч; 2 — внутренний контур магнитов; 3 — внешний контур
магнитов; 4 - штанги.
а) крепление магнитов на отдельных независимых штангах;
б) ветвистая схема крепления магнитов;
в) кольцевая схема крепления магнитов.
Поэтому и принимаемое значение Нпу = АН = 7 А/м - это средняя
величина, при этом на периферии достаточно будет и Нпуп = 3+4 А/м
при радиусе Гпуп = 0,045+0,05 м, а в центральной области будет и Нпуо =
14+15 А/м при радиусе Гпу0 = 0,028+0,03 м, а в случае необходимости
применимы и более высокие значения Нпуо. Поэтому размещение маг-
нитов по плоскости системы определяется экспериментами и модель-
ными расчетами, а методы крепления по рис. 2.9. предназначены
лишь для фиксации определенного необходимого положения магни-
тов.
Рассмотрим подробнее варианты крепления магнитов.
а) I вариант крепления, по схеме а) на рис, 2.9.
Конструкция магнитной системы представляет собой обруч, на-
пример, диаметром 4 м, к которому крепятся внешний и внутренний
контуры, и это наиболее простой вариант.
Число штанг Мш определяется длиной окружности внешней гра-
ницы контура системы и радиусом Гпуп. при этом расстояние между со-
седними штангами равно 2-Гпуп = 0,1 м, и для примера при длине ок-
ружности ~2лгм = 1985,5 м необходимо 19855 штанг. При этом на каж-
дой штанге до 3850+3900 магнитов, или в среднем *12 магнитов на 1
м длины штанги, а сами магниты на штангах смещены так, чтобы при-
мерно соблюдалось расстояние между штангами, оптимальное для
данного места системы.
Кстати, отсюда виден и коренной недостаток этого крепления -
на обруче с длиной окружности 12,56 м для диаметра 4 м требуется
закрепить 19855 штанг, при этом расстояние между креплениями со-
68
ставляет 0,63 мм, то есть даже меньше диаметра штанги, на которую
надевают магниты.
Однако здесь достаточно просто в первом приближении оценить
массу штанг. Так, для варианта а) на рис. 2.8. с креплением магнитов
тросами или хомутами имеем общую длину одного троса равной 1_ш и
Uj = Мш-гм = 6,274-10е м, а учитывая наличие 2-х тросов (во избежание
перекоса и повышения надежности крепления), общая длина тросов
равна 2 ЬШ = 12,548-10? м. Тогда для троса диаметром 0,2 мм получа-
ем объем материала троса VTp = 0,395 м3. Для бериллия или графито-
вого композита такой объем соответствует массе 700*-750 кг. Пример-
но такой же массе соответствует и трубка по варианту б) на рис. 2.8. с
диаметром трубки 2,5 мм и толщиной стенки 10 мкм. Безусловно, ре-
альная конструкция более сложная, включая использование тросов
разных диаметров — и вдали от центра системы допустимо использо-
вать трос диаметром до 0,1 мм, а вблизи центра системы магнитов
диаметр до 0,5 мм, или в другом варианте - трос одного малого диа-
метра, но в центральной области магниты крепятся 5+10 тросами.
Эта система сложна для прочностного расчета, так как представ-
ляет собой систему из магнитов, достаточно жестких, у которых мо-
мент инерции JM » JTp, момента инерции троса или трубки, и система
состоит из тысяч участков с магнитами и тросов или трубок. Учитывая,
что JM » JTp, можно считать, что участки труб или троса жестко за-
щемлены на магнитах, при этом средняя сила на каждый магнит R10 =
R/N = 2,11-10'® Н для рассматриваемого примера. В первом приближе-
нии оценим изгиб на периферии участка штанги между соседними
магнитами, при этом прогиб такой защемленной балки [30]:
Ув = -Rw lio3/3EJz, (2.24)
где 110 = 0,08 м, среднее расстояние между магнитами и длина участка
балки - штанги; и для троса с диаметром dTp = 0,2 мм при модуле упру-
гости бериллия Е = 290 ГПа получаем Ув = 1,58-10'7 м = 0,158 мкм. Ко-
нечно, по мере движения к обручу постепенно происходит накопление
и увеличение реальной величины прогиба штанги-троса или штанги-
трубки относительно обруча. Отметим, что момент инерции магнита JM
* 10'12 м4, что на 4 порядка больше JTp, и расчет такой штанги с пере-
менным моментом инерции и системой сил на разном расстоянии от
обруча требует сложного расчета с использованием компьютерных
программ, так как нет методов простого расчета прогиба такой систе-
мы.
Отметим, что интересным является и такое крепление штанги к
магниту, когда участки штанги не защемлены обоими концами относи-
тельно соседних магнитов, а по крайней мере один конец штанги сво-
бодно поворачивается относительно магнита, то есть шарнирное кре-
69
пление. При этом штанга поворачивается относительно магнита, и
штанга представляет здесь собой систему гибких элементов, мало
связанных между собой и прикрепленных к магнитам (одним концом
жестко закреплены к магниту, другим концом - нет). Однако и здесь
происходит постепенное накопление прогиба штанги. А главное, резко
усложняется технология изготовления такой системы магнитов.
Впрочем, прочность и прогиб системы штанг-тросов или трубок
не является критическим для работоспособности системы магнитов и
требует лишь оптимизации конструкторских решений, и в случае необ-
ходимости можно пойти на увеличение массы штанг до 900... 1000 кг.
Очень перспективно и применение дополнительных силовых элемен-
тов, например, типа трубчатого обруча с радиусом гм, который станет
дополнительной опорой. А для модели балки, свободно лежащей на
двух опорах, изгибаемой нагрузкой интенсивности q, прогиб в 10 раз
меньше прогиба защемленной консольной балки [30].
Безусловно, поведение такой системы штанг требует более тща-
тельного рассмотрения и определения оптимальной конструкции,
обеспечивающей требуемую прочность и минимальный прогиб. Одна-
ко здесь нет возможности и необходимости для подробного анализа
такой системы магнитов и ее прочности и прогиба.
б) II вариант, по схеме б) на рис. 2.9.
Ветвистая схема размещения магнитов на внешнем контуре
имеет целый ряд достоинств по сравнению с рассмотренным выше I
вариантом. Так, для II варианта число штанг на обруче определяется
из условия соблюдения расстояния между штангами величиной
~2 гпуо^0,06 м, а на внешнем радиусе с ~гм количество штанг опреде-
ляется расстоянием -2 rnyns0,1 м, и с оптимальной величиной ~2гпу на
любом расстоянии в пространстве между обручем и внешним радиу-
сом, то есть здесь величина ~2-Гпу может изменяться по мере необхо-
димости. И для рассматриваемого примера количество штанг на обру-
че Ышо = 210, а количество штанг на внешнем радиусе периферии Ышп
= 19855, то есть в среднем на одну штангу у обруча приходится раз-
ветвление с конечным число штанг на периферии 90+95 штук. При
этом общее число магнитов на каждой ’’ветке", при числе "веток" 210 =
Ышо, составляет *3,7-105 штук. Это, в частности, позволяет упростить
технологию изготовления системы, используя серийную технологию
для изготовления большого числа одинаковых магнитных "веток".
Такая ветвистая конструкция имеет рациональное размещение
штанг, она более легкая, чем по I варианту, а самое главное, позволя-
ет достаточно просто регулировать положение магнитов в пространст-
ве за счет наклона каждой отдельной "ветки" магнитов относительно
обруча. При этом достаточно установить 210 микромеханизмов пере-
70
мещения на "ветки" или даже объединить соседние "ветки" с умень-
шением числа механизмов до 10+20 штук.
Прочностной расчет такой магнитной системы сложен, требует
солидного математического аппарата и компьютерных программ и вы-
числений. И здесь нет смысла проводить этот расчет, учитывая, что
здесь рассматривается принципиальная схема и проводится оценка
возможностей конструкций и способов, и несомненно, что требуется
большая конструкторская и экспериментальная отработка подобной
системы. Однако принципиально здесь конструкция требует солидного
сечения штанги у обруча с постепенным уменьшением сечения по ме-
ре удаления от обруча к внешнему радиусу периферии. Конечно, эта
конструкция более оптимальна и более легка, чем по I варианту, одна-
ко в первом приближении для оценки масс штанг можно использовать
оценки для I варианта.
Для поворота "веток" вводят механизмы на обруче. Каждая "вет-
ка" магнитов со штангами имеет массу не более 5+8 кг, а сила тяги на
одну "ветку" не превышает 0,008 Н. Следовательно, для необходимого
поворота "ветки" требуется небольшая сила, не более 0,1+0,01 Н, а
требуемая энергия поворота не превышает десятков джоулей. И учи-
тывая столь небольшие требования, можно использовать самые раз-
личные конструкции, например, поставить обычные электромагниты
или электромагнитные муфты, регулирующие положение каждой "вет-
ки", соединенные с блоком управления на КА. А масса таких малых
поворотных устройств не превышает десятков граммов для каждой
"ветки: или порядка 1+2 кг для всех "веток".
в) III вариант, по схеме в) на рис.2.9.
Схема размещения магнитов по кольцам позволяет точно разместить
магниты по требуемым координатам с оптимальными радиусами отра-
жения гпу по плоскости системы. При этом 3+4 мощные штанги от об-
руча до самого дальнего кольца воспринимают нагрузку и фиксируют
положение колец с магнитами. Для изменения положения магнитов в
пространстве на этих мощных штангах могут быть выполнены разры-
вы, и тогда эти штанги составляются из отдельных штанг, соединен-
ных в фиксирующем замке - электромагнитном механизме, позволяю-
щем перемещать штанги с магнитами относительно друг друга. Это
достаточно сложная конструкция для обеспечения изменения в про-
странстве положения колец с магнитами, и трудно оценить перспек-
тивность применения такой конструкции. Весовые характеристики кон-
струкции по III варианту одного порядка с I вариантом.
. Оценивая в целом все 3 варианта, отметим, что наиболее пер-
спективен II вариант, затем III вариант и лишь затем I вариант, при
этом заметим, что I вариант наиболее прост и требует минимальных
исследований и испытаний такой конструкции.
71
Представляет большой интерес и нетрадиционная система маг-
нитов в виде длинной тонкой пленки или нити, образующих решетку
или сеть, отражающие плазму. Для оценки параметров такой магнит-
ной решетки принимаем, что толщина магнита 1с « 2Ь, ширины магни-
та, а длина магнита 2d » 2Ь, а также принимаем, что расстояние z от
пленки магнита z » 2b, однако z « 2d. Тогда для оценки магнитного
поля от длинной тонкой магнитной пленки-пластины можно восполь-
зоваться моделью прямоугольной пластины [28], в которой обеспечи-
вается d»z»b»lc, тогда выражение для проницаемости формы пла-
стинчатого магнита преобразуется
гп=
4-Ttdb
«1 (2.25)
4-rc-d-b-lc-
Индукция в точке, расположенной на полярной оси на расстоя-
нии z от центра магнита, определяется зависимостью
_Ho’M lc-d-b Г 1 1 ц0 М1с Ь
°С СТТ2 г12±72 + к2±72Г -f2
rcVd +b + z о +z ' я-z
(2.26)
Учитывая, что здесь вакуум, можно записать
Нс = Нпу = (Mlcb^JCZ2) = Cn/z2. (2.27)
Для намагниченности М = 1500 кА/м и принимаемых параметров
магнитной пленки lc = 2-Ю’5 м = 20 мкм и b = 2,5-10’4 м (2Ь = 0,5 мм)
получаем величину с„ = г.Звв-Ю’3. При этом для получения поля в
центральной области вблизи обруча с Нпуо = 15 А/м величина
Zo=rnyo=0,0126 м, а на периферии с НпуП = 3+4 А/м величина
гп=ГпуП=0,0261 м, а при среднем поле Нпу = 7 А/м средняя величина
z=rny=0,0185 м. Отметим, что на поверхности самой пленки индукция
равна 0,048 Тл, что соответствует Нм = 3,82-104 А/м.
Оценим массу подобной магнитной системы, выполненной в
первом приближении в виде решетки со средним расстоянием между
нитями или пленкой, соответствующим среднему полю с Нпу=7 А/м и
г=Гпу=0,0185 м. При этом вокруг пленки длиной 1 м образуется магнит-
ная отражающая зона с площадью Sny1 = 2-Z-1 м = 0,037 м2. Тогда для
отражения плазмы с площади SM = 3,136-Ю5 м2, аналогично (2.22), по-
лучаем необходимую длину нитей Ln=SM/(2-z1)=8,476-10? м. Сечение
пленки-пластины равно 2-Ь-1с=10‘8 м2, что соответствует массе пленки с
длиной Ц mn=660 кг.
Принципиально можно уменьшить размеры пленки и тем самым
еще уменьшить массу пленки. Однако здесь возникают технологиче-
ские сложности по изготовлению очень тонких и малых магнитов. По-
72
этому приведенные оценки параметров пленки достаточно реально
соответствуют существующему уровню технологий производства.
Значит, магнитная пленка обеспечивает получение узкой облас-
ти толщиной -10+20 мм, в которой создаваемое магнитное поле отра-
жает плазму, попадающую к диффузору. При этом масса магнитной
пленки порядка 660 кг для рассматриваемого примера. Естественно,
магнитная пленка используется совместно с другими материалами,
например, эта пленка наклеивается на фольгу из высокомодульных и
прочных материалов типа бериллия, углепластиков и т.п. При этом
фольга служит для восприятия механической нагрузки, действующей
на магнитную пленку, имеющую среднюю интенсивность q = R/Ln =
2-1О'7 Н/м на 1 метр пленки.
Рассмотрим другие элементы системы магнитов.
Во всех вариантах в качестве основного силового элемента ис-
пользуется обруч, выполненный в виде тора, с диаметром 4 м, из бе-
риллия или высокомодульных композитов, а сечение тора имеет диа-
метр порядка 30 мм при толщине стенки 2+3 мм. Внутри обруча по-
мещены механизмы поворотного устройства - по II варианту, регули-
рующие положение штанг внешнего контура, а также жестко прикреп-
лены трубки внутреннего контура с магнитами. Внутренний контур со-
стоит из 100+150 трубок, на которых крепятся магниты.
Также имеется и балка крепления обруча к силовой балке креп-
ления диффузора, и она выполнена из легких высокомодульных ма-
териалов типа композитов или бериллия. Оценим прочность подобной
консольной балки, жестко защемленной и нагруженной силой тяги R
на расстоянии - длине балки 1Б = гм = 316 м:
= R- 1бЛЛ/б; (2.28)
отсюда, принимая допустимые изгибные напряжения [оИзг]=Ю7
Н/м2, получаем необходимый момент сопротивления балки равным \Л/Б
= 5,3 10'5 м3 в сечении основания балки. Принимаем, что балка выпол-
нена тонкостенной, с толщиной стенки 6Б=1 мм, тогда требуемая ве-
личина \Л/Б соответствует диаметру DB = 0,26 м = 260 мм, при этом се-
чение балки у основания имеет площадь S5=0,816-Ю'3 м2. В случае
если бы балка была одинакового сечения по всей длине 1Б, то объем
материала составил бы 0,2578 м3, и для углепластика масса порядка
380 кг. Однако здесь 0^ пропорционально моменту, то есть расстоя-
нию I от места приложения силы R до сечения балки, поэтому такая
балка постоянного сечения имеет большой разброс по запасу прочно-
сти по длине. Поэтому рациональнее применение балки переменного
сечения, телескопической балки или балки равной прочности по дли-
не, а это позволяет на 30+50% уменьшить массу по сравнению с бал-
кой постоянного сечения. Отсюда и реальная величина массы подоб-
73
ной простой балки 190+270 кг. Возможен подбор и применение и спе-
циальных форм сечения балки для уменьшения ее массы до уровня
100+150 кг. Для оценки массы балки применим средний уровень
250±50 кг. Отметим, что для такой консольной балки с постоянным се-
чением оценка прогиба балки на конце дает величину *1,3 м, а для
балки переменного сечения прогиб 2+2,5 м, что вполне допустимо для
таких масштабов системы магнитов и диффузора.
Из других перспективных возможностей улучшения параметров
системы магнитов отметим принципиальную возможность использо-
вания при креплении магнитов в качестве троса с уменьшением диа-
метра троса до 0,1+0,2 мм или трубки из ферромагнитного материала
типа железа. При этом магнитное поле магнитов намагничивает трос
или трубки, обеспечивая повышение магнитного поля вдали от магни-
тов и увеличение радиуса отражения плазмы от каждого магнита гпу,
что достигается передачей туда дополнительно магнитного потока и
более равномерного распределения поля в пространстве. То есть ес-
ли для диполя Нпу обратно пропорционально кубу расстояния от ди-
поля, то при введении ферромагнитного материала эта зависимость
имеет более плавный характер, например, как для магнитной пленки
по зависимости (2.26) - обратно пропорционально квадрату расстоя-
ния от магнита. Безусловно, такая система требует дополнительных
теоретических и экспериментальных исследований, после чего можно
будет определить ее перспективность при использовании в магнитной
системе.
Итак, для рассмотренного примера общая масса всех систем
магнитов составляет: по нижнему пределу - 1290 кг, по верхнему пре-
делу - 2000 кг, при средней массе 1650±350 кг, в зависимости от со-
вершенства конструкции элементов этой системы магнитов.
2.6 РАЗВЕРТЫВАНИЕ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЯ И КА
Серьезной проблемой таких крупногабаритных систем является
их развертывание в рабочее положение.
Для диффузора развертывание значительно облегчается тем,
что при подаче электрической энергии в витки возникает внутреннее
магнитное поле с давлением, пусть и небольшим, которое постепенно
и автоматически выпрямляет и расправляет витки до оптимального
рабочего положения. Поэтому для диффузора главной проблемой яв-
ляется укладка его витков внутри ограниченного объема, поднимаемо-
го с Земли на орбиту.
Для рассматриваемого примера с гм = 316 м и 3-мя витками име-
ем длину окружности - длину провода каждого витка равной LB =
1985,5 м. При этом каждый виток складывается строго параллельно
другому витку и с имеющимися распорками. Для варианта витков с
74
фольгой внешний кожух имеет габариты 120x10 ммхмм, и при длине
LB объем такого сверхпроводящего провода одного витка 2,38 м3. А
для объема КА с диаметром 6 м и с шириной кожуха 120 мм величина
такого объема 3,4 м3, а при диаметре 5,5 м объем 2,9 м3, то есть в
обоих случаях больше объема провода одного витка. Значит, объема
КА вполне достаточно для размещения проводов витков. Возможны
разные схемы складывания, а 3 из них приведены на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Схемы складывания витков
а) рядами; б) произвольное; в) наматывание на барабан.
Схемы укладывания рядами а) и произвольное б) просты, однако
их ограничением является деформирование сверхпроводящего про-
вода при перегибе с ряда на ряд. Достоинством этих схем является
жесткое крепление концов витков в источнике электроэнергии и сис-
теме подвода и отвода жидкого гелия, и при подаче электроэнергии
будет происходить автоматическое выпрямление витков при неизмен-
ном положении концов витков. При этом схема а) требует большего
деформирования сверхпроводящего провода на отдельных участках
по сравнению со схемой б), где практически весь провод подвергается
деформированию, но с большим радиусом. Схема б) практически при-
годна и для керамических высокотемпературных сверхпроводников,
которые не могут деформироваться с малым радиусом по схеме а).
Схема в) предполагает наматывание сверхпроводящего провода
на барабан, выполненный в виде тонкой полимерной или металличе-
ской фольги, при диаметре 2+2,5 м. При этом витки на барабан нама-
тываются рядами до получения длины провода LB, порядка 160+170
витков толщиной 1,6+1,7 м при толщине внешнего кожуха 10 мм. Это
достаточно удобно, так как большой диаметр барабана позволяет ра-
ботать с большими радиусами деформирования сверхпроводящего
провода, в том числе и с керамическими сверхпроводниками. Однако
здесь возникают сложности с концами витков, их креплением в источ-
75
нике электроэнергии и обеспечением неподвижности в процессе раз-
матывания провода с барабана. Более того, может возникнуть необ-
ходимость в специальном устройстве для разматывания одного конца
и его увод вместе с проводом далеко от КА, а затем движение назад к
КА и закрепление этого конца в источнике электроэнергии, что очень
неудобно, особенно при автоматическом КА. Однако такая схема
вполне рациональна при запуске на орбиту и последующей сборке
диффузора с помощью космонавтов, находящихся на орбитальной
станции или самом космическом челноке, с помощью которого также и
выводится диффузор.
Однако очевидно, что здесь нет принципиальных ограничений,
и речь идет лишь о совершенстве конструкторских решений и их до-
водке и отработке для реальных изделий.
Для системы малых магнитов по отражению плазмы проблемы
развертывания более серьезные, чем для диффузора. С одной сторо-
ны, тонкие трубки или трос достаточно гибки и позволяют деформиро-
вать такую систему, складывая их в компактный объем. С другой сто-
роны, здесь не обеспечивается автоматическое развертывание сис-
темы магнитов. Сам обруч системы, как и внутренний контур магнитов,
грузятся в рабочем положении, а внешний контур складывается, на-
пример, согласно схеме на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Схема складывания системы магнитов
1 - обруч; 2 - внутренний контур; 3 - внешний контур;
4 - поворотный элемент с эффектом памяти формы;
5 - телескопическая балка крепления обруча к диффузору.
Длина укладываемых штанг зависит от габаритов отсека КА.
Идеальный вариант - транспортировка сложенного внешнего контура с
полной длиной штанг 316 м, прикрепленного в виде груза к выводимо-
му на орбиту КА, однако это практически нереально.
Конструкция определяется также и предполагаемым методом
доставки на орбиту, и условиями сборки. Наиболее просто осуществ-
ляется сборка космонавтами. При этом штанги системы магнитов
76
представляют собой готовые к сборке с магнитами и прочими элемен-
тами участки длиной 10+15 м, штабелями уложенные в отсеке КА. И
на орбите космонавт состыковывает отдельные участки штанг с по-
мощью механической сборки или сварки и т.п. методов крепления, в
конечном итоге получая требуемую конструкцию системы в рабочем
положении.
Отметим, что, несмотря на внушительные габариты системы
магнитов, при максимальном габарите - диаметре штанги 3 мм, опре-
деляемом диаметром магнита-шайбы, для длины штанги 10 м тре-
буемое поперечное сечение штабеля штанг 4,4 м2, а объем штабеля
44 м3 при массе -1600 кг, то есть вполне умещается в отсеке КА. А
для магнитной системы в виде магнитных лент габариты еще более
падают, вплоть до объема 1+10 м3.
Значительно более сложной является задача автоматического
развертывания системы магнитов. Конечно, здесь можно предложить
целый ряд конструкций. Однако представляется, что наиболее про-
стой конструкцией является применение трубок или стержней из ма-
териалов, обладающих эффектом памяти формы. Такие трубки наде-
ваются на места сгиба штанг с магнитами, затем их нагревают или,
наоборот, - охлаждают, затем деформируют, изгибают, обеспечивая
складывание штанг внешнего контура. А после вывода на орбиту про-
исходит переход стержней к рабочей нормальной температуре, тем
самым стержень вспоминает свою прямую форму, выпрямляется,
обеспечивая переход штанг и в целом системы магнитов в рабочее
положение, обеспечивая развертывание системы из сложенного по-
ложения.
Для крепления обруча к диффузору используется балка крепле-
ния, и из ряда возможных конструкций отметим, например, ее выпол-
нение в виде телескопической балки с длиной ее звеньев 5+10 м, и
для диаметра балки у диффузора DB = 0,26 м = 260 мм и толщине
стенки трубы балки 1 мм вполне возможно поместить внутрь десятки
звеньев с толщиной стенки 1 мм и разных диаметров, вплоть до са-
мых малых. Для сборки космонавты извлекают эти звенья друг за дру-
гом, выставляя их в рабочее положение и закрепляя. При автоматиче-
ском развертывании внутрь трубы балки подают, например, газ под
давлением, который выдавливает из трубы звенья, выставляя их в
рабочее положение, а на конце самого тонкого звена, с минимальным
диаметром, заранее закреплен обруч с системой магнитов. Естест-
венно, возможны и другие конструкции и методы развертывания по-
добной балки, применяемые в технике.
Остальные системы КА или не нуждаются в складывании и по-
следующем развертывании, сразу размещаясь в рабочем положении
(полезная нагрузка КА, холодильная машина и т.п.), или используются
77
типовые решения для развертывания известных конструкций, напри-
мер, развертывание солнечных батарей на основе фотоэлементов
для обеспечения электроэнергией систем КА.
Отметим, что при сборке космонавтами КА находится на низкой
орбите высотой порядка 400 км от поверхности Земли, и уже в соб-
ранном состоянии магнитный двигатель вместе с КА поднимаются на
высокую орбиту за пределы магнитосферы Земли, например, с помо-
щью обычных двигателей автоматической разгонной ступени.
Возможная общая схема размещения элементов КА на этапе
транспортировки представлена на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Схема размещения элементов КА при транспортировке
1 - обтекатель и корпус ракеты-носителя или контур отсека КА;
2 - внешний контур системы магнитов в сложенном положении;
3 - обруч с внутренним контуром системы магнитов;
4 - балка крепления обруча; 5 - витки диффузора сложенные;
6 - распорки между витками; 7 - балка крепления диффузора;
8 - холодильная машина или емкость с жидким гелием;
9 - отсек управления и полезная нагрузка КА.
Рис. 2.13. Схема размещения элементов КА в рабочем положении
1 - витки диффузора; 2 - распорки между витками;
3 - балка крепления диффузора; 4 - обруч с внутренним конту-
ром системы магнитов; 5 - внешний контур системы магнитов;
6 - балка крепления обруча; 7 - солнечная батарея;
8 - холодильная машина или емкость с жидким гелием;
9 - отсек управления и полезная нагрузка КА.
Общая длина подобного КА при транспортировке зависит от вы-
78
бираемых длин складывания отдельных элементов и составляет
10+30 м. После выхода на орбиту обтекатель и корпус ракеты отбра-
сываются, а сам КА начинает переход в рабочее положение двигателя
и систем КА, показанное на рис. 2.13. на примере магнита с радиусом
витков гм и 3-мя витками диффузора.
Такой КА после осуществления развертывания систем двигателя
и осуществляет ускорение КА потоком солнечной плазмы ветра.
Таким образом, развертывание систем двигателя вполне реаль-
но и в автоматическом режиме, а при сборке двигателя на околозем-
ной орбите космонавтами реально развертывание систем любых раз-
меров.
2.7 ИСТОЧНИК ЭНЕРГОПИТАНИЯ
Основными потребителями электрической энергии в КА являют-
ся:
- накачка магнитного диффузора электрической энергией;
- компенсация потерь энергии магнитного поля диффузора из-за
пересоединения с магнитным полем солнечной плазмы;
- питание холодильной машины для снабжения витков диффузо-
ра жидким гелием;
- питание систем управления и полезной нагрузки КА;
- прочие возможные вспомогательные потребители.
Для рассматриваемого варианта диффузора с гм = 316 м и полем
Нм = 316 А/м энергия магнитного поля WM = 2,6-Ю7 Дж, и при мощности
питания даже 1 кВт время накачки витков энергией порядка 2,6-104 с =
9 часов, что вполне удовлетворительно. Причем этот процесс едино-
временный, осуществляемый в начале работы диффузора, и в даль-
нейшем поддержание энергии этого поля требует ничтожной энергии,
поэтому процесс накачки может проходить за счет ограничения энер-
гопотребления систем управления и полезной нагрузки КА в началь-
ный момент, при подготовке двигателя к старту.
Процесс пересоединения магнитных полей солнечного ветра и
диффузора принципиально может привести к потери энергии поля
диффузора и необходимости их компенсации. Однако отметим, что
ранее, в разделе 1.2 по [6], отмечалось, что процесс взаимодействия
космической плазмы и магнитных планетных дипольных полей прин-
ципиально не может приводить к потери энергии магнитного поля, а их
взаимодействие осуществляется за счет энергии плазмы. Поэтому и
здесь потери энергии магнитного поля диффузора из-за пересоедине-
ния полей практически полностью или в значительной мере компенси-
руются за счет энергии плазмы, ее потерь энергии с переходом в
энергию магнитного поля. Впрочем, и в случае полной компенсации
потерь энергии магнитного поля диффузора из-за пересоединения по-
79
лей требуемая мощность энергопитания не превышает Wnk * 2 кВт со-
гласно таблице 1.3 для данного рассматриваемого диффузора.
Самый крупный и постоянный потребитель энергии в магнитном
двигателе - холодильная машина. И для данных принятых условий
работы диффузора требуемая мощность источника питания - 3 кВт.
Питание систем управления и полезной нагрузки КА - для них
потребляемая мощность достаточна неопределенна, и можно лишь
принять ожидаемую мощность - 1 кВт. Прочие возможные вспомога-
тельные потребители - их энергопотребление неопределенно и долж-
но происходить за счет перераспределения энергии от других систем.
Итак, минимальная электрическая мощность источника питания
составляет - 1 кВт и необходима для начальной накачки энергией
диффузора, а затем следует переключение источника на снабжение
энергией полезной нагрузки КА и систем управления. А с учетом запа-
са по мощности источника питания реальная мощность составит ~ 2
кВт, для варианта с запасом большого количества жидкого гелия и без
использования холодильной машины.
Для диффузора с холодильной машиной мощность источника
питания возрастает до 5+6 кВт. Здесь возможно применение и ядерно-
го источника типа "Топаз-2", имеющего электрическую мощность 5...10
кВт. Однако учитывая, что такие КА предназначены для работы в
межпланетном космическом пространстве, на просторах космоса, то
логичнее использовать экологически чистые солнечные батареи на
фотоэлементах, имеющие КПД 7+20% и срок службы 1 год и более,
при мощности на единицу массы 3+37 Вт/кг [1].
Значит, для варианта диффузора без холодильной машины при
мощности энергопитания * 2 кВт масса солнечной батареи с ее сис-
темами составит - 50 кг. Для варианта диффузора с холодильной ма-
шиной и мощностью энергопитания - 5 кВт масса солнечной батареи с
ее системами составит * 200 кг.
Для магнитов с другими параметрами магнитного поля и радиуса
захватываемой плазмы оценка затрат энергии и массы солнечных ба-
тарей производится аналогичным образом.
2.8 МАССОВАЯ СВОДКА СИСТЕМ КА
Сведем вместе оценки массы систем КА для разных радиусов
диффузора и радиуса захвата плазмы для двигателя с захватом
плазмы и ее отражением от диффузора согласно разделу 1,2.
При оценке массовых характеристик наиболее точной является
оценка КА с подробно рассмотренным выше базовым вариантом с ра-
диусом гм = 316 м и полем Нм = 316 А/м при rn = 104 м = 10 км. Для ос-
тальных вариантов оценка систем и их масс приведена на основании
соотношения масс в базовом варианте и соотношения размеров к ба-
80
зовому варианту, а также оценки возможного изменения масс при дру-
гих размерах. Для простоты и наглядности сравнения оценивались
диффузоры с одинаковым эквивалентным током J = 2-105 А, если иное
специально не оговорено. При этом для гп = 2,16 км величина гм = 31,6
м; для гп = 4,64 км величина гм = 100 м; для гп = 10 км величина гм = 316
м (базовый вариант); для гп = 21,54 км величина гм = 1000 м. При этом
для сверхпроводника типа НТ-50 в виде фольги число витков диффу-
зора равно 3 для всех вариантов.
В таблице 2.4 приведено сопоставление масс систем КА в зави-
симости от гп и типа сверхпроводника, обеспечивающего электриче-
ский ток витка JB = 6,7-Ю4 А, аналогично сплаву НТ-50.
В таблице 2.5 приведено сопоставление масс системы КА для
сверхпроводника NbNO(7Cot3 (для простоты принимаем плотность оди-
наковой с НТ-50), при этом сравнение проводится для 2-х вариантов
эквивалентного тока J = 2-105 А и У = 1,248-106 А, при этом в дополни-
тельном варианте имеем; а) гп = 2,16 км: Н'м = 5-104 А/м и величину
гм=12,6 м; б) гп = 4,64 км: HZM = 1,56-104 А/м и гм = 40 м; в) гп = 10 км;
Н/м=5-103 А/м и гм = 126 м. Во всех вариантах обеспечивается одина-
ковый Jz, что облегчает сопоставление результатов вычислений.
Отметим, что этими таблицами можно воспользоваться и для
оценки массы двигателя с непосредственным отражением плазмы
солнечного ветра по разделу 1.1, исключив массу магнитов системы
отражения плазмы и массу штанг и силовых элементов этой же сис-
темы магнитов.
Анализируя обе таблицы, можно сделать вывод, что главным усло-
вием эффективности конструкции является применение сверхпроводника с
максимально возможной плотностью и силой тока. И те же высокоте-
мпературные сверхпроводники обеспечивают лучшие характеристики по
сравнению со сверхпроводниками с гелиевым охлаждением (за счет
меньшей плотности, исключения промежуточных теплозащитных эк-
ранов и упрощения холодильной установки и т.п.), но только при усло-
вии одинаковых токов и примерно одинаковых плотностей тока, на-
пример, с фольгой из сплава НТ-50. А сверхпроводники с рекордными
значениями токов типа MbNojCo^ и при гелиевом охлаждении позво-
ляют получить более легкие конструкции, чем у высокотемпературных
сверхпроводников с относительно малой плотностью тока.
Интересно отметить, что для сплава NbNo,7Co,3 высокая плотно-
сть тока позволяет получить настолько малую массу сверхпроводника,
что масса системы малых магнитов намного выше массы сверхпро-
водника. А это позволяет пойти на увеличение массы сверхпроводни-
ка за счет уменьшения радиуса диффузора с гм = 316 м до = 126 м
с одновременным снижением массы магнитной системы. При этом
массы двигателей примерно одинаковы, но, естественно, выгоднее
81
Сводка масс систем двигателей
Таблица 2.4
Наименование системы Масса систем в кг при радиусе захвата плазмы гп в км
серийный сверхпроводник типа НТ-50 (фольга) высокотемпературный сверхпроводник (с параметрами как у ИТ-50)
2,16 км 4,64 км 10 км 21,54 км 2,16 км 4,64 км 10 км 21,54 км
Сверхпроводник диффу- зора 76 240 762 2408 48 152 480 1520
Теплозащита витков диффузора 220 692 2200 6920 160 506 1600 5060
Силовые элементы диффузора 10 32 100 320 10 32 100 320
Система магнитов отра- жения плазмы 46 146 460 1460 46 146 460 1460
Штанги и силовые эле- менты системы магнитов 120 380 1200 3800 120 380 1200 3800
Вспомогательные системы 50 100 150 200 50 100 150 200
азот
Жидкий гелий (при разных проводах) или азот 15 57 50 180 150 570 480 1800 15 50 150 500
Холодильная машина 200 0 300 0 400 0 800 0 100 150 200 300
Солнечная батарея 100 30 150 40 200 50 400 70 70 100 150 250
Общая масса систем КА 837 609 2090 1810 5472 5342 16788 16978 619 1616 4490 13410
Сводка масс систем двигателей
Таблица 2.5
Наименование системы Масса систем в кг при радиусе захвата плазмы гп в км
сверхпроводник типа NbNojCo.a
эквивалентный ток J = 2 105 А эквивалентный ток J = 1,248-itf А
2,16 км 4,64 км 10 км 21,54 км 2,16 км 4,64 км 10 км 21,54 км
Сверхпроводник диффу- зора 7 20 64 202 40 126 400 1260
Теплозащита витков диффузора 18 58 185 585 116 364 1155 3640
Силовые элементы диффузора 2 6 20 60 4 10 40 100
Система магнитов отра- жения плазмы 46 146 460 1460 18 58 184 580
Штанги и силовые эле- менты системы магнитов 120 380 1200 3800 48 152 480 1520
Вспомогательные системы 50 100 150 200 50 100 150 200
Жидкий гелий (при разных проводах) 2 5 4 15 12 48 40 150 4 16 12 48 38 152 120 480
Холодильная машина 100 0 150 0 200 0 300 0 200 0 250 0 300 0 400 0
Солнечная батарея 80 30 120 40 150 50 200 70 150 30 200 40 250 50 300 70
Общая масса систем КА 425 278 984 765 2441 2177 6842 6529 630 322 1272 898 2997 2611 8120 7850
использовать диффузор с меньшим г^, что резко упрощает проблемы
складывания и развертывания в рабочее положение систем двигате-
ля, а также проблемы изготовления системы магнитов.
При этом реальный уровень массы систем КА колеблется в за-
висимости от конструктивных особенностей относительно табличных
расчетных величин на уровне порядка ± 15%, за исключением холо-
дильной машины, по которой разброс имеющихся данных по массе
достигает порядка. Вполне возможно, что применение новых принци-
пиальных конструкторских решений позволит снизить массу систем и
самого КА и на большую величину, на 20-30%. Однако очевидно, что
массы двигателя разных габаритов вполне соответствуют современ-
ному уровню техники и промышленного производства.
2.9 ИДЕАЛЬНОЕ УСКОРЕНИЕ КА
Идеальное максимальное ускорение КА равно величине:
a=RI Mka; (2.29)
где R - идеальная сила тяги, действующая на КА с массой Мка.
Для сопоставления приведены результаты расчетов 2-х вариан-
тов в таблице 2.6, без учета наличия возможной 10+30% по массе по-
лезной нагрузки, дополнительной к рассматриваемой М^:
1 вариант - двигатель с захватом плазмы и ее отражением от си-
стемы магнитов согласно главе 1.2, где приведены в таблицах 2.5
и 2.4, а величина идеальной силы тяги R согласно таблице 1.2.
II вариант - двигатель с непосредственным отражением плазмы
магнитным полем диффузора согласно главе 1.1, где взята из та-
блиц 2.5 и 2.4 за вычетом масс системы магнитов и штанг и силовых
элементов этой системы, а идеальная сила тяги - из таблицы 1.1 для
магнита-диффузора с одинаковым магнитным моментом М и одина-
ковым радиусом магнита гм, учитывая, что у них нет гп, а есть отраже-
ние плазмы, не отраженное в таблице 2.6.
Из рассмотрения результатов таблицы 2.6 видно, что в зависи-
мости от конструкции и применяемых материалов магнитный двига-
тель на плазме солнечного ветра обеспечивает достаточно удовле-
творительный уровень ускорения. Причем в целом двигатель с захва-
том плазмы и ее отражением от диффузора в целом значительно эф-
фективнее, чем двигатель с непосредственным отражением плазмы
полем диполя. Однако привлекает внимание и вариант диффузора со
сверхпроводником типа NbNo(7Coi3 без холодильной машины, который
за счет исключения системы магнитов становится очень легким, и ус-
корение подобного КА практически одинаково с 1 вариантом в преде-
лах точности расчетов.
84
Идеальное ускорение КА
Таблица 2.6
Наименование вариан- та КА Номер вари- анта Ускорение КА, а, 10ч м/с2 (для I варианта - с радиусом захвата плазмы гп)
2,16 км 4,64 км 10 км 21,54 км
Серийный сверхпро- водник типа НТ-50, без холо- дильной машины 1 1,28 1,99 3,14 4,58
II 0,393 0,638 1,03 1,49
Серийный сверхпро- водник типа НТ-50, с холодильной машиной 1 0,93 1,722 3,06 4,63
II 0,259 0,524 1,0 1,51
Высокотемпературный сверхпроводник, ана- лог НТ-50 1 1,260 2,23 3,73 5,80
II 0,384 0,752 1,34 2,14
Сверхпроводник типа NbNojCo.a без холо- дильной машины, ва- риант с минимальной массой 1 2,82 4,71 7,73 11,91
II 1,57 3,47 7,49 13,74
Сверхпроводник типа NbNo,7Co,3 с холодиль- ной машиной, вариант с минимальной массой 1 1,83 3,66 6,89 11,37
II 0,674 1,80 4,93 11,02
Для сравнения отметим, что известный франко-испанский сол-
нечный парус "Колумб-500", ускорявшийся под действием солнечного
света, обеспечивает ускорение до I.S-IO"4 м/с2. Следовательно, по ве-
личине ускорения магнитные двигатели на плазме солнечного ветра
не уступают или даже выше ускорения от солнечных парусов.
Итак, применение больших радиусов магнитов диффузоров позволя-
ет резко снизить эквивалентный ток витков при сохранении требуемого маг-
нитного момента диффузора. При этом резко снижается величина магнит-
ного поля диффузора, что, в свою очередь, позволяет увеличить плотность
тока и силу тока в сверхпроводнике (используя известный факт, что крити-
ческая плотность тока при отсутствии поля выше в 2+5 раз по сравнению с
работой в мощных полях). Эти факторы позволяют резко снизить массу
магнита диффузора и создать достаточно легкие конструкции магнитного
двигателя, полностью соответствующие современному уровню техники и
промышленного производства. Подобные двигатели вполне работоспособ-
85
ны, а их уровень ускорения даже с учетом полезной нагрузки в 10*430% от
массы двигателя соответствует работе с длительным процессом ускорения
и аналогичен ускорению КА с помощью солнечных парусов или электриче-
ских ракетных двигателей (с аналогичным уровнем мощности источника
энергии и скорости истечения рабочего тела из двигателя).
86
ГЛАВА III
ПЛАЗМА СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК И ЕЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Вспышки на Солнце представляют собой мощнейшее
проявление солнечной активности, при которой в короне происходит
быстрое выделение энергии в силу внутренних процессов в
хромосфере. Характерная особенность вспышек состоит в том, что
основная часть ее энергии выделяется в виде кинетической энергии
выбросов вещества из нижних областей солнечной короны в
межпланетную среду. При этом также образуется ударная волна,
которая постепенно замедляется при движении плазмы солнечного
ветра. Приход ударной волны к Земле приводит к сжатию
магнитосферы Земли, после которого обычно начинаются магнитные
бури. Характерные значения полной энергии межпланетных выбросов
и ударных волн составляют (1 + 3)-1025 Дж, а иногда и до уровня
Ю26...^7 Дж и во всех случаях на порядок и более превышают
энергию для электромагнитного излучения Солнца в любом диапазоне
длин волн (рентгеновский, оптический и т.д.) или энергию потока
высокоэнергичных ускоренных частиц. Подчеркнем, что при вспышке
не происходит заметного увеличения светимости Солнца, в отличие
от потока частиц. При этом на орбите Земли интегральный поток
протонов от 1п~1О12...1О13 м’2с’1 для спокойного солнечного ветра с
энергией (0,5...50)-1,6-10‘19 Дж увеличивается до 1п~1О13...1О15 м^с'1
для возмущенного солнечного ветра с энергией протонов в диапазоне
(50... 10000) .1,6-Ю’19 Дж [2].
Существует несколько систем классификации солнечных
вспышек - по оптическим характеристикам, по рентгеновскому
излучению, по потоку высокоэнергичных частиц и т.д. Наиболее
распространенной является классификация по оптическим
характеристикам, где в качестве основной меры энергии выбрана
площадь, измерение которой обычно не представляет особого труда.
Величина So - исправленная площадь, то есть площадь, которую
имела бы вспышка, находясь в центре солнечного диска. Вспышки
делятся по классам (баллам): S - субвспышка (So^2,O кв.град.),
1(2.1...5,1), 2(5,2...I2,4), 3 (12,5...24,7) и 4(S0>24,7 кв.град.). А также
внутри них дополнительно делятся по относительной интенсивности
на f, n, b (b>n>f), то есть, например, 2f, 2n, 2Ь. Также отметим, что
теория солнечных вспышек достаточно хорошо развита, например
[31].
87
Параметры плазмы после солнечной вспышки достаточно
неопределенны и имеют большой диапазон разброса характеристик.
В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные по
ударным волнам и плазме после серии вспышек на Солнце, в которой
выделяются 4 основных балла -1 b, 2b, ЗЬ и ЗЬ, происшедших 2, 2, 4 и
7 августа 1972 года. При этом первые 3 ударные волны достигли
Земли 4 августа, а последняя - 8 августа. Здесь скорость ветра от
типичных спокойных значений -350 км/с возрастает после прихода
третьей ударной волны до порядка 2000 км/с, а обычная ее величина
за ударным фронтом составляет 700...900 км/с. Температура сжатого,
ускоренного и разогретого за ударным фронтом газа достигает 107К,
что на порядок превышает типичные значения. Наибольшая
концентрация плазмы наблюдалась после прихода второй ударной
волны и достигала 15-Ю7 м"3. Отмечается, что для 3-й вспышки через
2 часа после фронта ударной волны наблюдался приход плазменного
поршня, представляющего собой облако более плотной и более
холодной плазмы, а толщина поршня составляла -ЗЮ7 км. А
непосредственно после прохода фронта ударной волны и скачка
солнечный ветер имел у Земли параметры:
для вспышки 1b:
V=434 км/с, п=50 10е м‘3, ТН.ЗЮ5 К,
для вспышки 2Ь:
V=510 км/с, п=7810® м-э, Т,-6,8 Ю5 К, nVM M’W,
для вспышки ЗЬ (от 4 августа):
V=1200 км/с, п=5 Ю® и’3, Т|~10® К, nV=61012 м’2с’1,
для вспышки ЗЬ (от 7 августа):
V=950 км/с, п=6 Юв м-3, Тг-106 К, nV=5,7-1012 м’2с’1.
Отметим, что локальная скорость ударных волн составила 488
км/с и 612 км/с для вспышек 1Ь и 2Ь, а для вспышки ЗЬ скорость 1100
км/с. При этом спад концентрации после прихода ударной волны
происходит в течение нескольких часов. Магнитное поле плазмы
после вспышки колеблется в пределах 20...50? и иногда и выше.
Полные значения энергии -1026 Дж и выброшенной массы -1014 кг.
Экспериментальные данные показывают, что каждый раз после
прихода к Земле межпланетной ударной волны магнитосфера резко
сжимается, причем за время порядка I мин на несколько радиусов
Земли [32].
Таким образом, плазма является весьма динамичной, с
большими перепадами параметров у Земли после прихода плазмы и
ударных волн от солнечных вспышек и истечения плазмы из короны
Солнца.
88
Прогноз вспышек в настоящее время осуществляют более 10
прогностических центров по различным параметрам Солнца:
— по градиенту напряженности магнитного поля на поверхности
Солнца для оценки мощности предполагаемой вспышки;
— по статистической зависимости между мощными вспышками и
отношением расстояния между пятнами разной полярности к
диаметру пятна;
— по вспышечной активности пятен, так, перед мощной
вспышкой число слабых вспышек резко возрастает;
— по спектру рентгеновского излучения активной области;
— по квазипериодическим колебаниям радиоизлучения санти-
метрового диапазона, а также и ряду других параметров солнечной
поверхности. Эти прогнозы оправдываются с высокой точностью, до
85-90%, для прогнозов до 3 суток до вспышки и уменьшаются по мере
увеличения времени до вспышки, однако прогноз остается
удовлетворительно точным до 2-х месяцев до начала мощной
вспышки. Причем перед мощной вспышкой обычно следует серия
более слабых вспышек, обычно 2 балла, также создающих мощный
поток солнечной плазмы [31].
Среднее число вспышек за I год - от 300 до 800, в зависимости
от активности Солнца, при этом основная часть - маломощные класса
S, не представляющие интереса. Однако значительную часть
составляют и мощные вспышки: класса 1 - 15,7%, причем 1b - 3,7%;
класса 2 - 1,8...2,5%; класса 3 - 0,1% [31]. Например, по данным
наблюдений, с апреля 1972 года по декабрь 1982 года на Солнце
произошло около 50 мощных вспышек (половина из которых была
зарегистрирована аппаратурой станции "Прогноз"), а вспышки
меньшей мощности наблюдаются гораздо чаще [40]. А при
проведении экспериментов АЯКС на «Прогнозе-6» за 127 суток
наблюдалась плазма от 11 вспышек [39]. Таким образом, в год в
среднем происходит 70... 110 вспышек класса I, причем 10...25 балла
1Ь, то есть достаточно мощные, и 8... 16 вспышек класса 2, а также в
среднем 1 мощная вспышка класса 3. Значит, в год образуется до
20...45 солнечных вспышек, дающих мощные потоки солнечной
плазмы и ударных волн.
3.2 ДВИЖЕНИЕ КА В ПЛАЗМЕ ОТ СОЛНЕЧНОЙ ВСПЫШКИ
Для использования энергии солнечных вспышек при ускорении
КА прогнозируют время начала мощной солнечной вспышки с
выбросом плазмы, например, 2 или 3 класса. После этого выводят КА
на орбиту ожидания, от 3 до 15 суток до начала мощной вспышки, а
затем начинают предварительное ускорение КА солнечным ветром.
89
В настоящее время вероятность определения подхода плазмы
от солнечной вспышки с точностью 1...3 часа очень мала, и прогноз с
достоверностью до 90% дается лишь для возможности вспышки за
1...5 суток, поэтому доставка КА с Земли непосредственно в поток
такой плазмы невозможна. Поэтому КА и помещают на орбиту
ожидания за 3...15 суток до начала предполагаемой мощной вспышки.
Эта орбита ожидания и предварительного ускорения располагается на
высоте порядка 70000...80000 км, так как именно здесь располагается
магнитопауза взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой
Земли.
Сопоставим силу тяги для плазмы от солнечных вспышек и
спокойного солнечного ветра для варианта двигателя с захватом
солнечной плазмы по разделу 1,2. Для этого воспользуемся
зависимостями (1.7)...(1.9) и, опуская промежуточные выкладки,
получаем соотношение сил тяги:
Гя,,у 12, уг.
Ъ [н.,)
(3.1)
где индексы 1 относятся к параметрам спокойного солнечного
ветра; индексы 2 - относятся к параметрам возмущенного солнечного
ветра; ln - интегральный поток протонов при средней скорости V.
Для двигателя с непосредственным отражением солнечного
ветра по разделу 1.1, используя зависимости (1.1) и (1.5)-(1.6),
получаем соотношение сил тяги:
Виг-ргпУг/3.
Ru1 Um-Vj ’
(3.2)
где параметры аналогичны вышеприведенным по (3.1).
Большой разброс параметров плазмы во время серии вспышек и
вызываемых ими ударных волн и облаков выброшенной плазмы с
появлением плазменного поршня делает невозможным какое-либо
расчетное усреднение параметров плазмы. Поэтому и используется
интегральный поток протонов Jn, позволяющий достаточно
реалистично оценить эффективность использования плазмы
солнечных вспышек.
Магнитное поле в плазме солнечных вспышек меняется от 20у
до 50у, поэтому принимаем индукцию магнитного поля диффузора в
пространстве ВПк=62у при напряженности поля НПк2=5Ю‘2 А/м, что
обеспечивает захват плазмы и ее взаимодействие с полем по
90
зависимости (3.1). Более высокое поле вместо Hnki=10‘2 А/м для
спокойного солнечного ветра по разделу 1.2 стало Hnk2 = 5 10’2 А/м,
обеспечивает практически такое же значение ларморовского радиуса
для электронов и протонов, что и для спокойного солнечного ветра.
Поэтому сильное магнитное поле диффузора с НПк2 = 5-1 О'2 А/м
обеспечивает примерно такое же взаимодействие с плазмой после
солнечных вспышек, что и слабое магнитное поле с Нпн = 10'2 А/м для
спокойного солнечного ветра. Естественно, переход на Hnk2 = 5 10"2
А/м уменьшает радиус захвата плазмы гп примерно в 1,7 раза по
сравнению с радиусом гп для спокойного солнечного ветра по таблице
1.2.
В отличие от магнитного поля в плазме, величина интегрального
потока протонов имеет значительно больший разброс, и ln от 1013 до
1015 м‘2с1 для возмущенного солнечного ветра. Для оценки принимаем
средние величины для возмущенного солнечного ветра и плазмы
солнечных вспышек равными 1п2=Ю14 м'2с’1 и V2=1000 км/с против
спокойного солнечного ветра с lni=4-1012 м"2с’1 и \Л=400 км/с по
разделу 1.2. Тогда получаем силу тяги Ru2~21,3-Rui согласно (3.1),
соответственно, ускорение КА также возрастает в 21,3 раза в потоке
плазмы после солнечных вспышек. При этих же параметрах плазмы
для двигателя с непосредственным отражением плазмы полем КА,
согласно зависимости (3.2) получаем соотношение силы тяги
Ru2=15,7 Rui, и, соответственно ускорение КА также возрастает в -*15,7
раза по сравнению со спокойным солнечным ветром. Например, для
КА с гп=10 км на сверхпроводнике типа NbN для спокойного
солнечного ветра ускорение а=7,7310-4 м/с2 согласно таблице 2.5, а в
плазме солнечных вспышек а-1,65-1 О’2 м/с2. При общем времени
ускорения КА в таком интегральном среднем потоке, например, т~10ч,
от серии вспышек, прирост скорости -*600 м/с. А для КА с гп=21,54 км и
ускорением а=11,91 м/с2 в спокойном солнечном ветре для плазмы от
солнечных вспышек получаем ускорение а-2,54-10’2 м/с2, а прирост
скорости -900 м/с.
Для мощных потоков протонов с энергией до 1О4 (1,6 Ю’19) Дж с
максимумом при (1...3) 10‘16 Дж, с общим интегральным потоком ln до
1015 м‘2с1 возможно получение прироста скорости порядка нескольких
километров (в зависимости от времени воздействия такого потока
плазмы). Это возможно при серии вспышек, включающей мощную
вспышку 3 или 4 класса, при которых поток плазмы является лишь
частью потока протонов с энергией 50 ...104(1,610‘19) Дж.
Таким образом, применение потока протонов и плазмы от
солнечной вспышки имеет большой недостаток - непредсказуемость
получаемого прироста скорости ускоряемого КА. Правда, возможно
91
при получении требуемого прироста скорости КА прекращать
дальнейшее ускорение за счет сброса магнитного поля диффузора.
Положительный фактор - слабая зависимость параметров конкретной
солнечной вспышки от активности Солнца, так как параметры потока
зависят только от параметров вспышки - мощности, характера
солнечных пятен и т.д. И тем самым даже в годы и периоды со
слабым солнечным ветром с 1п порядка 1О12...2Ю12 м"2с‘1 возможно
иметь мощные солнечные вспышки, которые по сравнению с малой
силой тяги Ru1 для слабого солнечного ветра обеспечивают
повышение силы тяги до 100 раз и более.
Отметим, что представляет интерес и старт КА в области
магнитопаузы, представляющей собой область магнитосферы Земли,
в которой происходит пересоединение магнитных силовых линий поля
Земли и солнечной плазмы. При этом возможно повышение
концентрации плазмы в 1,5...2 раза и падение магнитного поля, что
увеличивает захватываемую плазму и силу тяги. А идеальным
является старт КА в области нейтральной линии, на которой
магнитное поле обращается в ноль при пересоединении магнитных
полей [2]. Использование такого старта позволяет повысить силу тяги
до 2...5 раз, которая постепенно уменьшается по мере движения по
нейтральной линии и в магнитопаузе, а при выходе из магнитосферы
Земли сила тяги определяется только параметрами солнечной
плазмы При этом возможен вывод КА на орбиту ожидания за время от
I до 10... 15 суток до предполагаемой вспышки, а сама орбита
ожидания расположена примерно на высоте от 60000 км до 70000 км
от поверхности Земли, так как именно здесь обычно расположена
магнитопауза при взаимодействии солнечной плазмы от вспышек I и 2
балла с магнитосферой Земли. В случае необходимости возможна
небольшая коррекция траектории КА (химическими двигателями) с
целью более точного попадания в магнитопаузу.
Итак, весьма перспективно использование плазмы и протонов с
ударными волнами после солнечных вспышек для предварительного
ускорения КА. При этом КА получает большой прирост скорости, после
чего с Земли оценивают параметры траектории движения КА и
уточняют требуемый вектор силы тяги двигателя для последующего
движения КА в спокойном солнечном ветре, имеющем меньший
разброс параметров и более предсказуемом при длительном
ускорении.
92
ГЛАВА 4
СХЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТИ УСКОРЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА РАЗГОНЯЮЩЕЙ СТАНЦИЕЙ НА СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЕ
4.1 ОБЩИЕ СХЕМЫ
Представляет интерес возможность ускорения КА с помощью
специальной разгоняющей станции. При этом поток свободной
солнечной плазмы собирают магнитным полем диффузора станции и
затем концентрируют в центральную область на оси диффузора,
откуда плазма истекает в пространство сконцентрированной струёй.
Принципиальная простейшая схема для ускорения КА с
помощью разгоняющей станции изображена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Принципиальная схема ускорения КА
а) по потоку солнечной плазмы; б) навстречу потоку плазмы;
1 - разгоняющая станция; 2 - магнитный диффузор; 3 - система
магнитов концентрации плазмы; 4 - магнитное воспринимающее
устройство КА; 5 - ускоряемый КА; 6 - поток свободной солнечной
плазмы; 7 - магнитная заглушка.
Такая разгоняющая станция вполне может служить для
предварительного ускорения КА. Однако здесь разгон КА возможен
практически только по оси диффузора, что ограничивает возможности
такого способа. Поэтому перспективнее станции, в которых поток
свободной солнечной плазмы собирают магнитным полем диффузора
станции и концентрируют в центральную область, где поток
захватывают и направляют магнитными полями дополнительного
магнита для последующего истечения в пространство
93
сконцентрированной струёй плазмы. Причем направление движения
струи регулируют поворотом направляющего магнита и его поля,
внутри которого течет плазма относительно плоскости диффузора,
обеспечивая ускорение как по направлению потока солнечной
плазмы, так и навстречу потоку, а также обеспечивает возможность
изменения движения струи относительно оси диффузора. Причем при
необходимости может происходить отражение плазмы от КА назад в
поле диффузора, что позволяет повторно ее захватить полем и затем
повторно использовать неизрасходованную энергию струи плазмы для
создания силы тяги на КА, * что повышает эффективность
использования кинетической энергии солнечной плазмы. На рис.4.2,
приведена схема ускорения КА без отражения плазмы в поле
диффузора, а на рис. 4.3. приведена схема с отражением потока
плазмы от КА в поле диффузора.
Такая принципиальная схема на рис. 4.2. соответствует
ускорению КА, у которого имеется магнитное воспринимающее
устройство с вектором магнитного момента М, который
перпендикулярен к направлению струи плазмы. При этом реализуется
схема ускорения КА непосредственным воздействием потока плазмы
по разделу 1.1, и сама струя плазмы обтекает магнитное поле КА,
практически не возвращаясь назад к диффузору.
Рис. 4.2. Принципиальная схема ускорения КА
а) навстречу потоку солнечной плазмы; б) по потоку плазмы;
1 - разгоняющая станция; 2 - магнитный диффузор; 3 - система
магнитов концентрации плазмы; 4 - направляющий магнит; 5 -
основной соленоид; 6 - контур магнитов; 7 - поток свободной
солнечной плазмы; 8 - струя плазмы; 9 - ускоряемый КА; 10 -
магнитное воспринимающее устройство КА.
94
Рис. 4.3. Принципиальная схема ускорения КА
а) навстречу потоку солнечной плазмы; б) по потоку плазмы;
1 - разгоняющая станция; 2 - магнитный диффузор; 3 - первая
система магнитов концентрации плазмы; 4 - вторая система магнитов
концентрации плазмы; 5 - направляющий магнит; 6 - основной
соленоид; 7 - контур магнитов; 8 - поток свободной солнечной плазмы;
9 - струя плазмы; 10 - вторичный отраженный поток плазмы; 11 -
ускоряемый КА; 12 - магнитное воспринимающее устройство КА.
Такая принципиальная схема на рис. 4.3. соответствует
ускорению КА, который имеет магнитное воспринимающее устройство
с вектором магнитного момента М, параллельный вектору скорости
течения струи плазмы. При этом плазма отражается системой
магнитов в магнитном воспринимающем устройстве КА и совпадает с
аналогичной системой по разделам 1.2 и 2.5.
Здесь при работе поток свободной солнечной плазмы собирают
магнитным полем диффузора разгоняющей станции, затем эта плазма
по магнитному полю движется к самому диффузору, возле которого
плазму встречает первая система магнитов концентрации плазмы,
которая своим дополнительным полем смещает плазму в область на
оси диффузора, получая плазму с концентрацией от 1014 до 1018 м-3, в
зависимости от конкретных параметров свободной плазмы и
конкретной конструкции диффузора. Здесь сконцентрированную
плазму направляют в магнитное поле основного соленоида,
являющегося частью направляющего магнита, а затем плазма из
соленоида поступает внутрь контура магнитов, из которого она и
истекает сконцентрированной струёй в космическое пространство.
Отметим, что оценка подобного направляющего магнита достаточно
подробно проведена в разделе 1.5.
95
На поток струи плазмы и помещают ускоряемый КА с его
воспринимающим магнитным устройством. При этом магнитное поле
воспринимающего устройства отражает плазму от КА назад в
направлении к разгоняющей станции, и эта отраженная плазма в
своем движении попадает снова в поле диффузора. При этом этот
вторичный отраженный поток плазмы взаимодействует с полем
диффузора и, двигаясь по полю, снова попадает к направляющему
магниту и захватывается им, и затем повторяется цикл истечения
струи плазмы. При этом плазма может захватываться многократно,
при числе циклов 2...20 (ограниченное охлаждением плазмы и
потерями энергии и массы), что повышает величину используемой
кинетической энергии солнечной плазмы.
Здесь возможны 2 варианта течения вторичной отраженной
плазмы согласно вариантам а) и б) на рис. 4.3., при этом для
ускорения КА по потоку солнечной плазмы отраженная плазма
попадает на вторую систему магнитов концентрации плазмы, а от нее
- в направляющий магнит. Благодаря регулированию положения
направляющего магнита возможно разгонять КА как по потоку
свободной солнечной плазмы, так и навстречу потоку свободной
солнечной плазмы, а также и под углом, например - до 30°, к оси
диффузора в том или ином направлении, в конусе относительно оси
диффузора. Это резко расширяет возможности разгоняющей станции
на солнечной плазме, позволяя направлять КА практически в любом
направлении.
Отметим, что в начальный момент начала ускорения скорость КА
мала относительно диффузора и поступающий поток плазмы образует
столб плазмы, благодаря чему ускорение КА на начальном этапе
может достигать высоких значений, вплоть до уровня 10 м/с2 и более.
Главное достоинство разгоняющей станции - возможность
получения достаточно большого ускорения КА и его быстрый разгон в
требуемом направлении, обеспечивая быстрое ускорение на
предварительном этапе ускорения КА. При этом требуется достаточно
мощное магнитное поле разгоняющей станции, которое вполне
реализуется даже с помощью экологически чистых солнечных
батарей, не требуя применения мощных ядерных энергоустановок.
Характеристики подобного способа ускорения определяются
параметрами диффузора, прежде всего радиусом захвата плазмы, а
также дальнобойностью струи плазмы. Поэтому необходимо
ориентироваться на максимально возможные параметры диффузора,
например, диффузор с магнитным моментом М=6,28-1013 Ам2,
имеющий при радиусе магнита гм=103 м радиус захвата плазмы гп=100
км при силе тяги для спокойного солнечного ветра R=167,6 Н согласно
таблицам 1.1-1.2.
96
Для примера рассмотрим ускорение простейшего КА с малой
массой Мка=500 кг, например, с магнитным воспринимающим
устройством на основе сверхпроводника типа NbNojCo.3. В идеальном
процессе ускорения разгоняющей станции для R=167,6 Н ускорение
КА а=0,3352 м/с2 при времени ускорения т=1,1933-Ю4 с для
обеспечения прироста скорости AV=4 км/с. При этом кинетическая
энергия КА, ускоряющегося с околоземной орбиты со скоростью \Л=8
км/с до скорости V2=12 км/с, прирастает на величину Wka=2-1O10 Дж. А
мощность кинетической энергии потока солнечной плазмы,
собираемой полем диффузора с гп=100 км, согласно таблице 1.3
составляет Wc=1,68-107 Вт, что для времени ускорения т дает
кинетическую энергию потока солнечной плазмы Wco=2-1011 Дж.
Следовательно, отношение Wka к Wco показывает, что даже в
идеальном процессе ускорения лишь 10% кинетической энергии
потока свободной плазмы используется для ускорения КА. Это значит,
что скорость такой плазмы является неоптимальной для процесса
ускорения КА в диапазоне скоростей (V1-V2), и рабочий процесс
ускорения КА несовершенен и вполне допускает улучшение.
Следовательно, отражение и возврат плазмы от КА в поле диффузора
вполне допустим с энергетической точки зрения и не нарушает закона
сохранения энергии, позволяя увеличить эффективность
использования энергии солнечной плазмы для ускорения КА. Нижний
уровень энергии солнечной плазмы - это падение температуры
электронов и протонов на порядок, например, со средних значений
Тв*1.3105 К, принятых согласно разделу 1.2, до Те~ 1.3-I04 К, и
аналогично и для протонов. И нет принципиальных физических
ограничений и законов, которые мешают получить КПД использования
энергии солнечной плазмы т| до до 80...90% за счет многократного
возврата и использования плазмы. Естественно, реальная величина т|
будет ниже из-за потерь энергии плазмы, но все же позволяет
повысить силу тяги и эффективность ускорения КА в среднем в
несколько раз. При этом реальный КПД т|=80...90% в начале
ускорения, когда длина пути движения плазмы мала и потери энергии
минимальны, и величина т| падает по мере увеличения длины пути
движения плазмы к КА.
Сразу отметим и воздействие на ускорение КА разгона с
использованием потока плазмы солнечных вспышек. Здесь сразу
возрастает сила тяги на КА и его ускорение, при этом величина этого
возрастания зависит от роста параметров плазмы согласно
зависимости (3.1). И для средних параметров роста согласно оценкам
раздела 3.2 сила тяги с R=167,6 Н растет до R=3570 Н, даже без учета
возврата плазмы и ее повторного использования. Причем при
97
использовании плазмы солнечных вспышек требуемое время
ускорения составляет лишь сотни секунд, что составляет лишь часть
времени прохождения плазмы от какой-либо одной вспышки в
пространстве с разгоняющей станцией.
4.2 ЭТАПЫ УСКОРЕНИЯ КА ПОТОКОМ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ
Рассмотрим ускорение КА, например, массой Мка=500 кг,
потоком плазмы от разгоняющей станции по оси диффузора с
радиусом захвата плазмы спокойного солнечного ветра гп=100 км и
силой тяги R=167,6 Н. Принимаем, что плазма с площади Sn и
радиусом гп и концентрацией п=107 м"3 поступает в диффузор с
радиусом магнита гм=1000 м, а затем в направляющий магнит - в
основной соленоид и контур магнитов, при этом выходное сечение
контура - прямоугольник толщиной 2 гн=20 м и шириной 1Н=15,7 м
(площадь прямоугольника эквивалента площади круга с
эквивалентным радиусом гн=10 м). Здесь согласно таблице 1.2
средняя концентрация плазмы в сечении диффузора для гм=1000 м
составляет пм=1011 м’3 при давлении этой плазмы ргм=2,67-10'5 Н/м2.
Тогда в сечении выходного контура средние параметры составят
пн-1015 м-3 при давлении ргн=2,67-10‘1 Н/м2, для спокойного солнечного
ветра.
Это относительно концентрированная плазма, причем в начале
разгона происходит еще и накопление плазмы в направляющем
магните и столбе плазмы между выходным сечением контура и
ускоряемым КА. Причем в начале процесса ускорения длина пути
движения плазмы от станции к КА и назад ничтожна, поэтому
эффективность перехода энергии столба тепловой плазмы очень
высока и КПД т|-80... 90%.
Оценим уровень потерь на излучение плазмы. Так, для пс=1016 м‘
3 согласно зависимости (1.35) рекомбинационное излучение равно
ДЕр=0,5510‘5 Дж/м3с, что для эквивалентного радиуса гп=10 м и длины
столба плазмы в начальный, произвольный момент времени,
например, 1_п-100м=104 см, дает величину излучения Ер-0,2 Вт. Для
потерь энергии на тормозное излучение согласно (1.34) ДЕк=5,410‘в
Дж/м3с, что для столба плазмы дает величину Ек-0,15 Вт. Значит, это
все-таки достаточно разреженная плазма, и потери энергии на
излучение достаточно малы. Конечно, имеются и другие виды, и
весьма многочисленные, потерь энергии плазмы, однако все-таки их
потери в разреженной плазме вполне укладываются в 10...20% от
энергии столба плазмы.
Подчеркнем, что в рассмотренном оптимальном варианте
ускорения КА по оси диффузора вначале и сам КА, и плазма движутся
в интенсивном магнитном поле диффузора, и это поле не позволяет
98
плазме диффундировать поперек магнитных силовых линий поля, не
позволяет растекаться плазме. Поэтому на начальном участке
ускорения длиной LHy~0,5rn, с сильным магнитным полем диффузора
плазма достаточно близка к столбу в виде расширяющегося конуса
между выходным сечением контура и магнитным воспринимающим
устройством КА, с ничтожными потерями плазмы из-за малой
диффузии поперек поля. Причем на этом участке плазма, каким-либо
образом сумевшая уйти из столба, практически полностью попадает в
поле диффузора и снова движется в направляющий магнит для
повторного использования.
Для диффузора с гп=100 км секундный расход плазмы равен
тс=2,1-10'4 кг/с, что для протонов соответствует их числу N=1,25-1023,
и при концентрации плазмы столба порядка пс=1015 м‘3 объем плазмы
1,25-10® м3, что даже при среднем сечении столба площадью ~104 м2
дает длину столба 12,5 км. А учитывая накопление плазмы, вполне
реально получение столба плазмы длиной 40...60 км, а в среднем
порядка LHy=50 км.
Принимая на начальном этапе ускорения КА столбом плазмы
эффективность перехода энергии плазмы в энергию КА с КПД т|=80%,
имеем, что средняя сила тяги на этапе повышается в ~8 раз по
сравнению с т|=10% для однократного использования плазмы, тогда
величина средней силы тяги RH=8R=1340,8 Н. Тогда для идеального
процесса ускорения имеем среднее ускорение «н=2,68 м/с2, и при
длине начального пути ускорения LHy=50 км время прохождения тн=193
с, и прирост скорости КА составит AVH=514 м/с.
Сразу отметим, что при ускорении в плазме солнечной вспышки
с принятым в разделе 3.2 средним возрастанием силы тяги в 21,3 раза
величина RH'=28560 Н, тогда ан'=57,12 м/с2, тн'=41,84 с, и прирост
скорости КА составит AVH'=2390 м/с.
По мере ускорения КА и расширения площади сечения столба
ежесекундного расхода плазмы не хватает для заполнения
появляющегося дополнительного объема пространства между КА и
диффузором, и начинается переход практически неподвижного столба
плазмы в истекающий движущийся поток плазмы. И после некоторого
переходного периода с длительностью на уровне 1...10 сек, получаем
основной режим работы, при котором истекающая из выходного
сечения плазма со скоростью звука Vo~Vn~100 км/с расширяется и
достигает магнитного поля КА, которым плазма отражается назад к
полю диффузора, захватывается им полностью или частично и
повторно используется.
Рассмотрим модель плоского истекающего потока плазмы. Ее
движение в вакууме можно рассматривать как макроскопическое
99
движение центра инерции потока и ее тепловое расширение, при этом
концентрация плазмы [32]:
п(£;т) if j4 + 1> J4-1VI -к
—^-^ = -^erf — -erf — И, (4.1)
n0 2Ц т j
где n(£, т) - изменение плотности плазмы (газа) в зависимости от
времени и расстояния;
п0 - начальная плотность плазмы (средняя по сечению потока) на
выходе из контура магнитов; n0=nH; £=z/l - безразмерная координата
по оси z к I - начальной полуширине слоя, и здесь 1~гн=10 м.
Безразмерное время:
где Vo - скорость звука плазмы;
у*5/3 - отношение теплоемкостей плазмы;
t - время реальное. Для Vo=100 км/с T=1,1-104t~104t, а для
центральной части потока на его оси £ =0, тогда
п(0;т) 1/ J4 + C J и/1") <лъ\
х ' = -< erf 25— - erf - - И* = erf - (4.3)
n0 2[ l т J < т JJ
и для т=1 n1/no=0,84; а для т=4 Пч/По=0,25; для т=10 имеем
Пю/По=0,011; а для т=100 п10о/п0=0,011 и т.д. Скорость слоев плазмы
V=u+aV0; (4.4)
и здесь переносная скорость потока как целого u-V0 на выходе
из контура, и, например, при т<4 средние скорости слоев с
концентрацией 1О’1по, 1О’2по, 1О’3по, 1О“4по соответственно равны
O,86Vo; 1,75V0; 2,35V0; 2,86V0, то есть коэффициент а=0,86; 1,75; 2,35 и
2,86 соответственно [32]. Отсюда можно оценить, что при т=4 и
П4/По=О,25 скорость потока будет равна V=Vo+(0,4...0,5)V0, то есть
происходит значительное расширение и ускорение плазмы. Для т=4
реальное время t=4 10-4 с, и за это время поток в целом переместится
по оси на расстояние 40...60 м. Значит, уже на расстоянии 40...60 м от
выхода из контура магнитов произойдет преобразование
значительной части тепловой энергии плазмы при ее нахождении в
направляющем магните в кинетическую энергию струи истекшей
плазмы, а скорость плазмы увеличится в 1,4... 1,5 раза. Для т=10
Пю/по=О,11 при расстоянии от контура 1юЧ),2...0,3 км и скорости
Vo+O,86Vo~186 км/с. Подчеркнем, что поток плазмы не может
распространяться в поперечном направлении с бесконечной
скоростью, так как она ограничена скоростью звука. Так, рассматривая
зависимости движения потока, заметим, что для т=10 поток плазмы с
100
плотностью 1О‘1По занимает пространство £=5, то есть происходит
увеличение площади такого потока всего в 5 раз по сравнению с
первоначальным сечением.
Опуская промежуточные вычисления, отметим, что как по оси,
так и на границе первоначальной плазмы на выходе £=1, или в
произвольном сечении с ^=4, во всех случаях падение концентрации
происходит по зависимости П|/По~1/1н для плоского слоя плазмы, где Ц
- расстояние от источника плазмы - контура магнитов до сечения с
концентрацией П|. Так как КА движется по оси струи плазмы, то для
нее требуется знать изменение концентрации только по оси струи.
В общем случае струя плазмы оказывает воздействие на КА в
несколько этапов согласно рис. 4.4.
Рис. 4.4. Схема распространения струи плазмы.
Здесь условно можно выделить следующие этапы:
1 этап - интенсивный разгон КА. при котором сечение струи
плазмы не превышает радиуса отражения плазмы Го у магнитного
воспринимающего устройства КА, и практически вся струя
воздействует на магнитное поле КА, и этот этап имеет
дальнобойность Ц;
2 этап - высокоэффективный разгон КА, при котором нижней
границей концентрации струи по оси является, например, 100-кратное
превышение концентрации плазмы струи над концентрацией
свободной солнечной плазмы L1Oo, при этом дальнобойность струи
Lb3***^°1OO"Lu,
3 этап - эффективный разгон КА, при котором нижней границей
концентрации струи L10 по оси является 10-кратное превышение
концентрации струи над концентрацией свободной солнечной плазмы,
при этом дальнобойность струи LB~Lio-Lioo;
4 этап - разгон КА, при котором концентрация плазмы струи
падает до значения концентрации, равного концентрации свободной
101
солнечной плазмы. Тем самым полная дальнобойность струи Ln - это
расстояние, которое пройдет струя с начальной концентрацией пн на
выходе из контура магнитов до конечной концентрации, равной
концентрации свободной солнечной плазмы.
При этом на 1-м и 2-ом этапах обеспечивается практически
полный захват отраженной от КА плазмы струи полем диффузора и ее
повторное использование. А для 3-го этапа эффективность захвата
падает и еще больше уменьшается к концу 4-го этапа.
Дальнобойность струи и длины этапов определятся реальными
экспериментами и условиями работы разгоняющей станции.
Для рассмотренной выше модели плоского слоя плазмы падение
концентрации идет по зависимости nj/no^l/Lj. Однако во многих
случаях выполняется зависимость типа п8/п0*1 /L2, например, для
плазмы солнечных вспышек при ее истечении с поверхности Солнца
такой поток на орбите Земли имеет угловой размер до 120° [33].
Таким образом, реальный поток истекающей плазмы имеет
диапазон зависимостей П|/п0*1 /Ц... 1/L2, и эти зависимости и являются
верхним и нижним пределами зависимости П|/п0. Причем в реальности
эта зависимость еще зависит и от местонахождения струи, и,
например, при движении в поле диффузора с ограничением
расплывания за счет дополнительного воздействия поля диффузора
зависимость П|/п0 близка к нижнему пределу с ni/n0~1/L|. А для
движения струи в свободном космосе, без поля диффузора,
зависимость п/п0 смещается к виду Причем струя плазмы на 1-
ом и 2-ом этапах движется не в вакууме, а в среде, состоящей из уже
отраженной от КА плазмы и движущейся к диффузору станции, что
резко уменьшает расходимость струи и смещает зависимость ближе к
виду 1/Ц.
Кроме того, отметим, что для плазмы солнечных вспышек при ее
истечении с поверхности Солнца происходит переход тепловой
энергии плазмы в кинетическую энергию. А здесь же переход
тепловой энергии в значительной мере осуществляется и в
направляющем магните, и струя истекает из контура магнитов уже со
значительной кинетической энергией, причем она может быть и
повышена за счет организации сверхзвукового сопла в контуре
магнитов с повышением скорости этой струи. Именно поэтому
движение плоских сгустков плазмы удовлетворительно описывается
моделью плоского слоя плазмы [32].
Для плоского слоя плазмы с зависимостью типа П|/п0~1/1_( для
no=1O1s м-3 и конечной концентрации для свободной плазмы п=107 м‘3
имеем падение концентрации в 108 раз, что соответствует полной
дальнобойности струи Ln=(2...3)IOe км, при 1_ю=(2...3)Ю5 км и
L1Oo=(2...3) IO4 км. Для радиуса отражения плазмы полем КА величиной
102
Го-0,5 км длина Lu=(1...1,5)IO4 км. Отметим, что здесь г0 порядка 0,5
км, так как это высокоплотная плазма, а для свободной солнечной
плазмы у магнита КА радиус отражения гп=2,16 км согласно таблице
1.2.
Для модели плазмы с зависимостью типа nj/n0-1/L|2 длины
этапов соответственно уменьшаются: Ln=200...300 км, L10=6O...1OO км,
L1Oo=2O...3O км, a LU=IO... 15 км, то есть это явно заниженные цифры,
учитывая поле диффузора, а также вышеизложенные факторы.
Значит, реальные величины будут где-то средними между этими
2-мя крайними моделями : Lu-1000 км, L1oo-15OO км, L10-2 Ю4 км при
Ln-10s км.
Сразу отметим, что при ускорении в плазме солнечной вспышки
с принятым в разделе 3.2 средним возрастанием силы тяги в 21,3 раза
величина R' соответственно увеличивается. Однако здесь падает и
радиус захвата плазмы в 1,7 раза, соответственно, примерно также в
1,7... 1,8 раза уменьшаются и длины этапов.
При этом на участке интенсивного ускорения увеличивается
длина пути движения плазмы и потери ее энергии, однако практически
вся плазма попадает на магнитное поле КА и отражается в поле
диффузора, где практически полностью захватывается и повторно
используется, поэтому эффективность использования энергии плазмы
достаточно велика, с т|-40...50%, со средним принятым т|=45%. На
этапе (Lu-L-ioo) часть струи уже не попадает на магнитное поле КА,
проходит мимо, в космос, однако эта часть еще невелика, а учитывая,
что практически вся отраженная плазма забирается полем диффузора
и повторно используется, средняя величина д-20%.
Для этапов ускорения (L1Oo-Lw) и (L10-Ln) расчет необходимо
вести относительно силы тяги для спокойного свободного солнечного
ветра для магнитного поля КА с гп=2,16 км согласно таблице 1.2, а
здесь эта сила тяги должна умножаться на среднюю концентрацию
плазмы на этих этапах ускорения КА.
Оценим параметры ускорения КА с массой 500 кг на отдельных
этапах, включая начальный этап со столбом плазмы, а результаты
расчетов приведены в таблице 4.1.
Из таблицы 4.1 видно, что последний этап (Ью-Ln) не представляет
практического интереса, так как дает небольшой прирост скорости при
резком росте времени ускорения, что усложняет эксплуатацию разгоняющей
станции. Итак, при ускорении исследовательского зонда, КА массой 500 кг
при помощи разгоняющей станции с гп=100 км при солнечном спокойном
ветре достижим уровень прироста скорости AV-3600 м/с при времени
ускорения -7104 с~20 часов ( исключая последний этап, (Ью-Ln). А при
использовании плазмы солнечной вспышки достижим прирост скорости
103
AV*~13230 м/с при времени ускорения 11,44 О3 с-3,2 часа, причем основной
прирост в 11400 м/с достигается на первых этапах ускорения за время —440 с,
которое обеспечивается практически в любых солнечных вспышках балла
1...4.
Параметры ускорения КА__________________Таблица 4.1
Этап кпд п% R, н R', Н а, м/с2 я', м/с2 т, с т', с &V, м/с ДУ, м/с
Начальный, в поле диффузора, LHy во 1340,8 2,856-Ю* 2,68 57,12 193 41,84 514 2390
Интенсивное ускорение до Lu 45 754 1,606-10* 1,508 32,12 1,15-Ю3 190 1730 6104
Высокоэффекги вное ускорение на этапе (Lu- Li оо) 20 335 7135 0,67 14,27 1221 205 В18 2920
Эффективное ускорение на этапе (L100-L10) 3.9 ВЗ 7,8 (О’3 0,166 6.8» Ю* 1,1 Ю* 538 1820
Ускорение на этапе (Цо-Ц) — 0,39 7,8-Ю* - 3,2- I06 — 250
Оценим ускорение КА массой 5 т с помощью разгоняющей
станции на плазме солнечной вспышки. Данные по силе тяги и этапам
ускорения те же, что и в таблице 4.1. Тогда на начальном этапе
ускорения имеем дн'=5,712 м/с2 и тн'=132 с, и AVH’=754 м/с; на этапе
интенсивного ускорения ди'=3,212 м/с2, ти'=601 с и AVu'=1930 м/с; на
этапе (Lu-L100) двз'=1,427 м/с2, твз'=648 с и AVB3'=925 м/с. И тогда за 3
этапа длительностью 1381 с КА приобретет скорость 3609 м/с. А за
время ~104 с на этапе (L1Oo-L1o) с ускорением 0,0166 м/с2 КА
дополнительно получит прирост скорости AV3'-166 м/с, ибо здесь
ограничением является время прохождения плазмы солнечных
вспышек, имеющее порядок -104 с. Однако даже без учета этой
добавки прирост скорости -3609 м/с вполне достаточен для
направления КА к Луне или планетам.
При этом масса воспринимающего магнитного устройства КА,
даже с учетом усиления системы магнитов на более высокую
концентрацию плазмы, составляет порядка 400 кг на основе
сверхпроводника типа NbN или порядка 800 кг на основе
сверхпроводника типа НТ-50. Значит, для КА массой 5 т полезная
нагрузка составит 4,2...4,5 т, и это может быть и научное
104
оборудование, или передаваемый полезный груз, или двигательная
установка для замедления КА у Луны и т.д.
Заметим, что для КА массой 5 т, который необходимо запустить
с большей скоростью, чем 3,6 км/с, можно поставить магнитную
систему, рассчитанную на радиус захвата свободной плазмы гп=4,64
км согласно таблице 2.3, массой *2 т для сверхпроводника типа НТ-50
или даже с радиусом гп=10 км для сверхпроводника типа NbN массой
~2,5 т согласно таблице 2.4. Увеличенный радиус гп соответственно
увеличивает радиус отражения плазмы го от разгоняемого КА и длину
этапа интенсивного ускорения, при котором практически вся плазма
струи от станции воздействует на поле КА, а отраженная плазма
полностью попадает в поле диффузора и повторно используется. И
это вызывает увеличение прироста скорости на *600 м/с для поля КА
с гп=4,64 км или на *1000 м/с для поля магнита КА с гп=10 км.
Применение таких магнитов КА с увеличенным гп полезно и для
дальнейшего полета КА в солнечном ветре, позволяя за счет большей
силы тяги активно корректировать траекторию полета КА, его вектор и
величину скорости полета.
Положительным фактором применения плазмы солнечной
вспышки является слабая зависимость параметров плазмы вспышек
от периода солнечной активности. Поэтому и в годы спокойного
Солнца, и в годы активного Солнца, в отличие от параметров
солнечного ветра, плазма вспышек имеет один и тот же уровень,
зависящий от мощности вспышек и других его параметров. Поэтому и
разгоняющие станции на плазме вспышек обеспечивают примерно
одинаковый уровень параметров по разгону КА в разные периоды
активности Солнца.
Итак, разгоняющая станция с радиусом захвата свободной
плазмы спокойного солнечного ветра гп=100 км обеспечивает
ускорение КА массой 500 кг до получения прироста скорости *3,6 км/с
при использовании плазмы спокойного солнечного ветра. Для
ускорения более тяжелых КА необходим переход на более высокие
значения радиуса захвата плазмы гп*200...500 км, что вполне
возможно по мере отработки подобных конструкций, появления опыта
эксплуатации подобных станций и их усовершенствования.
Однако и для станций с гп=100 км возможно использование
плазмы солнечных вспышек, обеспечивающих ускорение и тяжелых
КА, и для массы 5 т прирост скорости составит 3,6 км/с и более.
Плазма солнечных вспышек при ускорении малых исследовательских
зондов-KA массой 500 кг позволяет достичь прироста скорости более
10 км/с. А учитывая, что число мощных вспышек составляет десятки
за один год, то и этого вполне достаточно для современного уровня и
даже перспективных программ исследований в космонавтике.
105
4.3 РАЗГОНЯЮЩАЯ СТАНЦИЯ
Главным элементом разгоняющей станции является диффузор с
расчетным радиусом захвата плазмы спокойного солнечного ветра
гп=100 км при магнитном моменте М=6,28-1013 А м2 и радиусе магнита
равном гм=1000 м при поле НМ=Ю4 А/м, с эквивалентным током
величиной J=2-107 А согласно таблицам 1.1-1.3.
Учитывая размеры магнита, речь может идти только о
высокоэффективных сверхпроводниках с плотностью тока не менее
1011 А/м , например, типа NbN или NbNojCo.3. Принимаем плотность
тока пленки NbN равной 1011 А/м2, что в 2...5 раз ниже критической
плотности тока [23]. Следовательно, для получения J=2-107 А
необходимая общая площадь сечения сверхпроводника Sc=2-10‘4 м2.
В настоящее время пленки NbN получают при азотировании
чистого ниобия с образованием на поверхности пленки NbN толщиной
до 300...80000 А=3-10“8 ... 810е м = ЗЮ4 ... 8-Ю"3 мм. Принимаем,
что современный уровень промышленных технологий позволяет
получать и контролировать достаточно стабильно пленку толщиной
8ь*51О® мм = 5мкм с одной стороны ниобия (естественно,
предварительно потратив определенные средства на промышленную
доводку подобных технологий). Отсюда получаем оптимальный
вариант: фольга ниобия толщиной *20 мкм пропускается через
устройство типа термической печи с азотной атмосферой, и на обеих
сторонах фольги образуются пленки NbN по *5 мкм с общей толщиной
NBN равной 5о=28п=1О мкм = 10"2 мм. Отсюда можно оценить
параметры сверхпроводника. Для получения площади Sc=2-10‘4 см2
при толщине пленок 8о=1О мкм необходимая ширина фольги
Ьфо=3с/8о=20 м. Таким образом, для получения требуемого тока J
необходима фольга толщиной 20 мкм, шириной 20 м и длиной
1в=2ягм=6,28-103 м. Отсюда имеем объем сверхпроводника VflC= 2,512
м3 при массе Мдс*22,5-103кг.
Такая сверхпроводящая фольга имеет ширину порядка 10... 100
мм, и она наматывается, образуя соленоид с сотнями или тысячами
витков, а в случае необходимости - десятки и сотни тысяч витков, как
в современных конструкциях соленоидов с пленками
сверхпроводников типа Nb3Sn и т.п. Это традиционные конструкции и
технология изготовления магнитов, достаточно хорошо отработанные
и, безусловно, вполне здесь применимые.
Здесь же для примера рассмотрим конструкцию диффузора с
отдельными витками и охлаждением прокачкой жидкого гелия.
Принимаем фольгу шириной Ьф=0,02 м. Тогда для получения Ьф0
= 20 м необходимое число витков равно N=1000. Учитывая большое
количество витков, нет смысла организовывать тепловую защиту
106
вокруг каждого витка Поэтому все витки помещены и закрыты в
едином корпусе с отдельными отсеками согласно схеме на рис. 4.5.
А
А-А
Рис. 4.5. Схема конструкции провода диффузора
1 - фольга из ниобия со сверхпроводящими пленками; 2 - каналы
для охлаждающего жидкого гелия; 3 - охватывающая герметичная
оболочка; 4 - перегородки отсеков с секциями витков; 5 -
промежуточные теплозащитные экраны; 6 - внешний кожух; 7 -
селективное покрытие.
Ввод отсеков и деление витков на секции (от нескольких до
десятков) осуществляется для повышения надежности работы
магнита в случае выхода из строя какой-либо секции витков
сверхпроводника, а также это облегчает транспортировку и сборку
диффузора. Принимаем, что расстояние между соседними витками
равно 1 мм, что вполне допустимо, и такое соотношение толщины
жидкого гелия 1 мм и толщины фольги 20 мкм вполне обеспечивает
надежное охлаждение фольги. Тогда общая длина провода со всеми
витками 1_пР=1030 мм = 1,03 м без учета теплозащиты. При этом объем
гелия 125,6 м3 при массе 15320 кг = 15,32 т. Конструкция элементов
провода аналогична проводу диффузора по разделам 2.2 и 2.3. Тогда
107
объем герметичной оболочки 2,638 м3 при толщине стенки 0,2 мм, что
для титана соответствует массе 11,87 т. Внешний кожух имеет
сечение 1060 х 30 мм х мм, и при селективном покрытии -
стеклопленки толщиной 0,15 мм его объем 2,05 м3 при массе 5 т, а для
подложки толщиной *50 мкм её объём 0,68 м3, и для алюминия масса
1,88 т. Промежуточные теплозащитные экраны имеют общую толщину
*100 мкм и объем *1,36 м3, что для пленок майлара дает массу *2,72
т. Покрытие алюминия толщиной 1 мкм на стеклопленку дает массу
*0,04 т, а покрытие ниобия на герметичную оболочку дает массу *0,1
т. Итого, масса элементов провода составляет 21,61 т. А с учетом
массы сверхпроводящей фольги и жидкого гелия, при массе
вспомогательных элементов 1 т, получаем общую массу витков
диффузора Мдв*60,43 т.
Для оптимального положения диффузора согласно рис. 2.5.
имеем сечение площадью с гм=1000 м и Ь=30 мм, что согласно
зависимости (2.9) дает эффективный мидель поглощения солнечного
света для диффузора площадью FCM=188,5 м2, что в 2... 10 раз больше
площади Fen и Fcm для диффузора с разными конструкциями проводов
по разделу 2.3. Теплозащита провода здесь аналогична теплозащите
проводов базового варианта диффузора по разделу 2.3. И аналогично
по этой методике по зависимости (2.10) имеем FTB=13700 м2, FCM= FCB,
Ов=0,07, е=0,90, тогда получаем температуру внешнего кожуха
ТР'=71,3°К, а с учетом добавок от маломощных излучений реальная
величина Тр'=80...90°К. В самом неблагоприятном варианте согласно
рис. 2.4. имеем FCB= Feu = 2120 м2, тогда Тр = 13ГК, а с учетом
добавок реальная величина Тр =l4O...I45eK.
Согласно зависимости (2.13) в оптимальном положении имеем
величину Fi= I3I95 м2, и для средней температуры внешнего кожуха
Тр=85вК имеем количество теплоты, переданное сверхпроводнику
Q'=16,4 Вт, а с учетом теплозащитных экранов Вт. Также
отметим, что в самом неблагоприятном варианте с Тр=140вК получаем
Q=60,3 Вт. Безусловно, здесь применимы различные методы
снижения теплового потока к сверхпроводнику, приведенные в
разделе 2.3.
Итак, при оптимальном положении витка имеем температуру
внешнего кожуха ТР'*85°К и тепловой поток от кожуха к герметичной
оболочке сверхпроводника Q'*8,2 Вт. В реальности, когда витки
диффузора могут изменять свое положение относительно оси к
Солнцу на угол до 30°, реальный поток составит до 10... 15 Вт, а
учитывая подвод тепла через вспомогательные элементы - подвески,
опоры, трубки и т.п., реальный поток порядка 20 Вт. Это достаточно
большая величина, но вполне реальная для современного уровня
холодильной техники. При этом, в зависимости от конструктивного
108
совершенства, масса подобной холодильной машины порядка 4... 10 т,
без источника питания.
Общая мощность источника энергопитания разгоняющей
станции порядка 50 кВт, что при использовании солнечных батарей
соответствует массе 1... 10 т.
Параметры системы магнитов концентрации плазмы
определяются аналогично отражающей системе в базовом варианте
по разделу 2.5, при этом диаметр обруча 50...60 м. А согласно
таблице 2.4 для радиуса магнита гм=1000м при гп=21,54 км имеем
массу магнитов системы отражения плазмы и штанг с силовыми
элементами 5260 кг. Причем, как показано в разделе 3.2, эта система
обеспечивает работу и с плазмой солнечных вспышек. Однако
учитывая, что здесь радиус гп=100 км, то необходимо увеличить поле
у такой системы магнитов, например, установить магниты чаще в 2
раза, что уменьшает радиус отражения в 2 раза, тем самым
увеличивая магнитное поле Нпу в 2Э=8 раз, а такое поле согласно
зависимости (1.12) выдержит в 64 раза большее давление плазмы,
чем система в разделе 2.5. При этом масса магнитов увеличивается в
-2 раза, а масса системы увеличивается до -10 т. Учитывая, что в
разгоняющей станции установлены 2 системы магнитов, по обе
стороны диффузора, то общая масса обеих отражающих систем
магнитов порядка 20 т.
Оценим параметры направляющего магнита. Контур магнитов
имеет средний эквивалентный радиус порядка гп=10 м и длину LH-100
м, что соответствует поверхности площадью 6,28-103 м2 и на 3 порядка
меньше площади отражения или концентрирования плазмы системой
магнитов массой Юте поверхности диффузора гм=1000 м. Значит,
масса контура, с учетом силовых элементов, составляет порядка 500
кг. Аналогично для зоны действия с радиусом 50... 100 м магнитный
момент основного соленоида на 2 порядка меньше магнитного
момента диффузора, поэтому масса основного соленоида не
превышает 1 т. А общая масса направляющего магнита со всеми
элементами конструкции и запасом составляет порядка 2 т.
Итак, масса основных систем разгоняющей станции при
оптимальных конструкциях систем составляет -88,43 т. А учитывая
запас на несовершенство конструкций систем, массу вспомогательных
устройств типа системы управления станции, ее ориентации и
стабилизации, механизм перемещения направляющего магнита
относительно диффузора и т.д., общая масса разгоняющей станции
составляет порядка 100 т.
Системы разгоняющей станции выводятся на околоземную
монтажную орбиту высотой 400... 1000 км, где осуществляется сборка
станции космонавтами, так как здесь не может быть автоматического
109
развертывания станции. Затем в готовом виде с монтажной орбиты
станция транспортируется на рабочую высоту. Причем сборка
упрощается тем, что вполне возможна постепенная доставка готовых
элементов и систем станции, так как они по отдельности относительно
легки и их можно укладывать в собранном виде в отсеки ракет.
Итак, разгоняющая станция для использования солнечной
плазмы имеет солидные габариты и массу, однако в изготовлении и
реализации такой станции нет принципиальных физических огра-
ничений, и она вполне соответствует современному промышленному
и технологическому уровням техники и может быть создана и
запущена в эксплуатацию.
но
ГЛАВА 5
СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА КАК ИСТОЧНИК ИЗОТОПОВ
5.1 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА ВОДОРОДА 1Н
Для мощной разгоняющей станции согласно главе 4,
работающей лишь кратковременно при разгоне КА, представляет
большой интерес ее использование в качестве сборщика солнечной
плазмы как источника изотопов - как редких и дорогих типа гелия-3 и
трития [36], так и обычных изотопов типа 1Н и других.
Для типичного диффузора станции по главе 4 с радиусом
магнита гм= 1000 м и полем НМ=Ю4 А/м, обеспечивающего радиус
захвата солнечного спокойного ветра гп=100 км, имеем расход
солнечной плазмы тс=2,1-10'4 кг/с согласно таблице I.3. Тогда для
спокойного солнечного ветра годовой расход или сбор станцией за
время т=1 год = 3,15-Ю7 составит Мв = 6,62-Ю3 кг = 6,62 т.
Для солнечных вспышек с резким повышением расхода плазмы
и возрастанием потока протонов ln на один-два порядка, вплоть до
величины 1014...1015 м’2с‘1, при общем времени вспышек за год 1,..4%
от времени течения спокойного солнечного ветра или среднем
расчетном времени т'-5 Ю5с расход плазмы составит Мв'-1... 10 т.
Отметим, что для разгоняющей станции в процессе ускорения
КА в интенсивном и высокоэффективном режимах практически вся
плазма отражается от магнитного поля КА и возвращается в поле
диффузора. И поэтому принципиально плазма, использованная для
ускорения КА и вернувшаяся в поле диффузора, может собираться
специальным модулем станции для использования в качестве
источника изотопов.
Таким образом, в зависимости от периода активности Солнца
такая станция с помощью диффузора собирает в год от 5 до 16 т
водорода в виде изотопа 1Н. Учитывая, что такие станции
предназначены для многолетней работы, то за 11-летний цикл
солнечной активности станция соберет в среднем примерно 80... 100 т
изотопа водорода 1Н.
5.2 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА ГЕЛИЯ 4Не
Содержание 4Не, или а-частиц, относительно протонов в
солнечном ветре варьируется в широком диапазоне от менее чем 1%
до 25% и даже более. Причем отношение, превышающее 15%, в
большинстве случаев следует за солнечными вспышками, и этот факт
интерпретируется как обусловленный инжекцией плазмы из областей
в нижней короне или хромосфере, обогащенных гелием [37]. А
среднее значение содержания гелия 4Не в спокойном солнечном
in
ветре составляет -5% [33]. Однако эта цифра относится к
концентрации атомов 4Не, а учитывая массу атома 4Не, это
соответствует массовому содержанию 4Не в -20% от массы протонов
1Н.
Итак, для тех же условий и диффузора с гп=100 км, как в разделе
5.1, получаем, что станция собирает в год до 1...5т изотопа гелия 4Не,
в зависимости от активности Солнца. А за 11-летний цикл солнечной
активности станция соберёт в среднем порядка 20+50 т изотопа гелия
4Не.
5.3 ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА ГЕЛИЯ 3Не
Для спокойного солнечного ветра, отражающего состав внешних
оболочек Солнца, отношение изотопов 3Не к 4Не составляет -4-1 О’4
[46]. Таким образом, диффузор станции позволяет из спокойного
солнечного ветра извлечь за год 0,4+2 кг изотопа 3Не.
Однако прямые измерения в космосе привели к открытию
«вспышек, богатых гелием-3», в которых содержание изотопа 3Не
велико и значительно больше, чем изотопов 2Не и 3Не, а отношение
изотопов 3Не к 4Не также возрастает по сравнению с обычным
составом плазмы и даже достигает необычно больших отношений
(вплоть до 8). Причем известны вспышки, после которых отношение
потоков гелия и водорода близко к 1 или даже больше. Так, после
вспышки 5 сентября 1973 года получено отношение 3Не /4Не равное 6,
а отношение Не/Н равно 1,15, то есть поток заряженных частиц более
чем на 50% состоит из ионов 3Не. Тот же уровень имеют вспышки 28
мая 1969 года, 9 мая 1974 года и т.п., а в среднем массовое
содержание ионов 3Не до 1+10% от массы протонов [38]. Возникает
вопрос о количестве подобных вспышек. Так, за период с 22.02.1977
года по 12.1.1978 года в течение 127 суток проводился эксперимент
АЯКС, в ходе которого зарегистрировано 11 вспышек, из них 3 -
вспышки, богатые гелием-3, причем все они по мощности относятся к
классу I, то есть достаточно слабое и частое. Так, в мае 1974 года на
протяжении -10 суток регистрировались потоки солнечных
космических лучей (СКЛ) малой энергии (1 Мэв/нуклон), богатых
тяжелыми элементами, а в течение двух суток из этого интервала
наблюдали обогащение изотопом 3Не [39].
Отметим, что энергетические спектры частиц СКЛ простираются
от самых малых энергий (~10+100-10э(1,6-10’19) Дж/нуклон,
приближаясь к солнечной плазме) до 1-10-109(1,6-10'19) Дж на нуклон,
наблюдающихся в редких случаях при особо мощных вспышках.
Однако обогащение СКЛ тяжелыми ядрами происходит при энергии
менее 10 Мэв/нуклон. Причем в настоящее время установлено, что
112
обогащение . возрастает при уменьшении энергии частиц и при
уменьшении мощности вспышки, ответственной за генерацию частиц
[40]. Однако подчеркнем, что здесь речь идет об увеличении
содержания изотопа 3Не, но принципиально в мощных вспышках с
высокой концентрацией частиц абсолютное массовое содержание
ионов 3Не может не уступать абсолютному содержанию 3Не в богатых
гелием-3 маломощных вспышках с малой концентрацией частиц,
несмотря на то, что в мощных вспышках относительно содержание
3Не мало по сравнению с изотопами 1Не и 4Не. Например, отмечается,
что при условии распространения частиц высокой энергии
непосредственно в направлении к Земле их поток примерно через 20
мин достигает внешней границы Земли и составляет здесь до ~1013
частиц/м2 с, и такая величина фактически наблюдалась у ряда
сильных вспышек с помощью КА [41]. И даже малая доля изотопа 3Не
в таких сильных потоках частиц может привести к получению
большого массового расхода изотопа 3Не.
Итак, в течение одного года возникает 1...10 вспышек, богатых
гелием-3. Кроме того, этот изотоп, пусть и с меньшим относительным
содержанием концентрации атомов, содержится и в плазме солнечных
вспышек, и в потоке солнечных космических лучей от вспышек, и в
плазме солнечного ветра.
К сожалению, сильная зависимость от солнечной активности и
неопределенность появления вспышек, богатых гелием-3, и ее
параметров, позволяет лишь грубо оценить ожидаемый сбор изотопа
3Не величиной от 5 до 500 кг в год для диффузора станции с гп = 100
км. А за 11-летний цикл солнечной активности станция соберет
порядка 0,1+2 т изотопа гелия 3Не.
5.4 ДРУГИЕ ИЗОТОПЫ
Солнечная плазма и СКЛ содержат и другие изотопы. Так,
содержание атомов кислорода к водороду как для солнечной короны,
так и для солнечного ветра составляет в среднем -5-10'4, для атомов
кремния -7-1 О'5, а для атомов железа -5-1 О'5. При этом оценки
относительного обилия этих ионов в моменты максимумов дают
значения значительно более высокие (примерно на порядок)
содержания тяжелых ионов. И из-за большой массы этих ионов их
кинетическая энергия при движении со скоростью солнечного ветра
достигает 1О+ЗО-1О3(1,6-1О'19) Дж [42]. Учитывая большую массу
атомов, например, у кислорода, соотношение концентрации атомов
5-1 О'4 дает соотношение масс протонов и кислорода 8-lff3. А учитывая
периодическое обогащение потоков кислородом, годовое
соотношение собираемых масс протонов и кислорода составляет
-10’2. Следовательно, по сравнению с протонами по разделу 5.1
из
станция также собирает от 50 до 160 кг кислорода в год, а за 11-
летний цикл солнечной активности станция соберет в среднем
примерно 1 т изотопа кислорода 1вО. Примерно столько же станция
соберет и изотопов кремния и железа.
Из других изотопов представляет интерес тритий 3Н. Его
содержание в 10... 100 раз меньше содержания эНе во вспышках,
богатых гелием -3 [38], и выше при других типах вспышек и в
солнечном ветре. Поэтому ожидаемая собираемая масса трития 3Н
составит порядка 100 кг за 11-летний цикл солнечной активности.
5.5 МОДУЛЬ ДЛЯ СБОРА ИЗОТОПОВ
Общая конструкция станции аналогична разгоняющей станции
согласно главе 4, однако для сбора изотопов устанавливается
дополнительный модуль, включающий воспринимающее устройство и
системы обработки изотопов. Здесь воспринимающее устройство
устанавливают внутри диффузора, а системы обработки
располагаются произвольно - у витков диффузора или где-то еще в
пространстве около станции и вне потока плазмы.
Возможны разные конструкции элементов модуля. Например,
воспринимающее устройство выполнено в виде 3-х параллельных
систем. Первая система, обращенная к потоку плазмы, включает
тонкую фольгу - пластину толщиной 1... 10 мкм из железа или металла
платиновой группы, практически свободно пропускает быстрые атомы
изотопов с энергией 1 кэв и более. Идеальным вариантом является
минимальная толщина фольги 1 мкм, однако это вызывает ряд
технологических трудностей. Также отметим, что наиболее дешевым
материалом является железо, однако необходимо дальнейшее
экспериментальное исследование по определению влияния
намагничивания фольги из железа (являющегося прекрасным
ферромагнетиком) под воздействием магнитного поля диффузора на
процесс пропускания атомов изотопов через фольгу. Вторая система -
пластина в виде пакета, пучка трубок диаметром 0,08 мм с толщиной
стенок 5 мкм из боросиликатного или кварцевого стекла, при этом в
результате диффузии через стенки трубок внутри получают чистый
гелий [43]. Третья система - пластина из железа или металла
платиновой группы толщиной 100 мкм и более, и эта пластина
обеспечивает полное торможение плазмы и даже быстрых ионов с
высокой энергией, например, для ионов 4Не до 30 1(f-(1,610'19) Дж
(для толщины - 100 мкм). При этом затормозившийся тепловой поток
атомов отдает тепло пластинам и трубкам и остывает до
~350...1500°К и энергией -0,01...0,05 (1,6-10‘19) Дж, и этот поток
оказывается между первой пластиной, не пропускающей такой
холодный газ, и третьей толстой пластиной. Выбор материала
114
пластин - железо или металл платиновой группы - объясняется тем,
что эти металлы наиболее непроницаемы для атомов газообразных
гелия и водорода.
Таким образом, двигаясь по полю диффузора, поток плазмы и
ионов попадает на тонкую фольгу-пластину и проходит через нее
внутрь на пучок трубок и толстую пластину, которые замедляют атомы
и ионы и отбирают у них энергию, а сами пластины и трубки
нагреваются до 350... 1500°К и излучают полученное тепло в космос. А
охлажденные атомы образуют газ, поступающий в пространство
между пластинами, откуда газ отсасывают, например, вакуумными
насосами, разделяют на изотопы с помощью известных методов и
устройств и подают или сразу в хранилище, если изотопы хранят в
виде газа, или в холодильную машину, где газ сжижается и подается в
емкость для хранения. При этом комплекс этих устройств и образует
систему обработки изотопов.
Оценим габариты воспринимающего устройства. Согласно
таблице 1.3 для спокойного солнечного ветра с гп=100 км и расхода
плазмы mc=2,1 10*4 кг/с мощность этого потока 1,68 107 Вт, а учитывая
неизбежность получения более мощного потока плазмы и ядерных
частиц от солнечной вспышки, выделяющаяся в воспринимающем
устройстве мощность может достичь Вт. Принимаем для
расчета предельную излучаемую мощность 5-10® Вт. Тогда аналогично
зависимости (2.12), где ет=0,95 для графитового покрытия [23]
толщиной 0,1... 1 мкм на наружной поверхности пластин-фольги, для
максимальной температуры пластин воспринимающего устройства
Ту=1500<>К (на 300°К ниже температуры плавления железа) получаем
излучательную способность до 2,726-Ю5 Вт/м2, а учитывая, что
излучают 2 поверхности пластин, то общая излучательная
способность -5,45-105 Вт/м2. Следовательно, для излучения мощности
5 10® Вт необходима площадь воспринимающего устройства 104 м2,
что соответствует радиусу 57 м. При этом масса наружной пластины-
фольги из железа при максимальной толщине 10 мкм составляет -800
кг, а масса толстой пластины при толщине 0,1 мм составляет -7800 кг.
Для пучка трубок в 10 слоев со стенками 5 мкм общая толщина 0,1 мм
и объем 1 м3 , что для стекол дает массу -3 т. Значит, общая масса
воспринимающего устройства составляет 11,6 т, а его габариты:
площадь 104 м2 при общей толщине -0,9+1 мм.
Отметим, что для спокойного ветра при мощности 1,68-107 Вт
температура пластин и трубок воспринимающего устройства упадет
до 360°К. Таким образом, воспринимающее устройство работает в
нормальных температурных условиях при работе со спокойным
солнечным ветром, и лишь кратковременно, на время потоков от
115
вспышек, температура возрастает в зависимости от увеличения
мощности потока частиц.
Заметим, что ввод поглощающей частицы поверхности с ее
размещением в центре диполя - диффузора положительно влияет на
захват ядерных частиц полем диполя, что показано, например, в [12].
В состав модуля входят и системы обработки изотопов.
Например, здесь желательно провести хотя бы предварительное
отделение гелия 3Не от гелия-4 (а окончательное разделение - у
потребителей) любым из известных способов, например, с помощью
газовой диффузии известными конструкциями типа многоступенчатого
мембранного сепаратора для разделения газовых смесей и т.п. При
этом трубки используют для получения изотопов гелия. А для
получения изотопов водорода и других используют газ между
пластинами воспринимающего устройства. При этом для разделения
изотопов водорода может использоваться и мембранный сепаратор, и
разделение в высокоскоростной струе [43], и т.п. То есть здесь
используются известные способы и конструкции современной техники.
Таким же известным дополнительным устройством является и
вакуумный насос для отсоса газа из изотопов и повышения давления
газа, и имеются много различных конструкций таких насосов [44].
Также имеется вспомогательный теплообменник, где изотопы
охлаждаются до 204-150°К, а затем подаются в холодильную машину,
или, точнее, - комплекс холодильных машин для каждого изотопа.
Заметим, что тритий может сжижаться, однако он испытывает 13-
распад, поэтому рациональнее использовать хранение газообразного
трития, например, в адсорбенте (тритий является источником энергии,
хотя и маломощным, из-за |3-распада). Остальные стабильные
изотопы лучше хранить в жидком виде в емкостях. И с учетом таких
систем обработки изотопов общая масса модуля по сбору изотопов
составляет ~20 т.
Состыкуем модуль с конструкцией разгоняющей станции по
главе 4. Воспринимающее устройство модуля крепится с
возможностью перемещения к обручу радиусом 504-60 м,
являющемуся силовым элементом системы магнитов концентрации
согласно рис. 4.2. или 4.3., а также варианту а) на рис. 5.1.
Для перехода разгоняющей станции в режим сбора изотопов
проводят перемещение направляющего магнита в положение по б)
или в) на рис. 5.1., а затем перемещают воспринимающее устройство
относительно обруча, полностью занимая и закрывая отверстие
обруча системы магнитов концентрации. Для варианта в)
направляющий магнит уводится вообще за плоскость
воспринимающего устройства модуля, а для варианта б)
направляющий магнит уводится далеко вперед по оси диффузора,
116
тем самым резко увеличивается расстояние до магнитов системы
концентрации и резко падает влияние магнитного поля
направляющего магнита на движение плазмы вблизи системы
магнитов.
Рис. 5.1. Схема размещения элементов станции а) в нерабочем
положении; б), в) в рабочем положении;
1 - магнитный диффузор; 2 - система магнитов концентрации;
3 - обруч системы магнитов; 4 - воспринимающее устройство в
модуле для сбора изотопов; 5 - системы обработки изотопов в модуле;
6 - направляющий магнит; 7 - поток плазмы и ионов.
Итак, при работе поток плазмы и ионов перемещается по
магнитному полю диффузора, а затем по магнитному полю системы
концентрации и попадает на поверхность пластин ы-фольги
воспринимающего устройства модуля для сбора изотопов. Проникая
через тонкую фольгу, частицы охлаждаются на пучке трубок и толстой
пластине, образуя газ. Затем происходит отсос газа, разделение на
изотопы, охлаждение и помещение в хранилища. Подчеркнем, что
отнюдь не все изотопы помещаются в хранилища, и после
предварительного разделения изотопов ненужные выбрасываются в
космос. По мере накопления изотопов и заполнения хранилищ
осуществляется их вывоз со станции потребителям. При этом
практически все изотопы, в том числе 1Н, 4Не и другие, могут найти
применение на внеземных базах, а достаточно дорогие изотопы типа
3Н и особенно 3Не вполне выгодно доставлять потребителям и на
Землю.
117
ГЛАВА 6
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ
И СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ
6.1 СХЕМА ТЕРМОЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДОБАВКОЙ
МАССЫ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ
В настоящее время постепенно и последовательно происходит
исследование процессов термоядерных реакций и отработка
элементов конструкций будущих термоядерных устройств, в том числе
и двигателей. И вполне вероятно, что через 5-20 лет будет возможно
создание и термоядерных двигателей, пусть и относительно
несовершенных, схемы которых уже разработаны или
разрабатываются. Поэтому кратко рассмотрим возможности
термоядерных двигателей с использованием солнечной плазмы.
Сейчас существует несколько путей осуществления
термоядерных реакций - это и тороидальные замкнутые магнитные
системы типа «Токамак», и нагрев плазмы в высокочастотных полях, и
импульсный нагрев со сжатием плазменного столба, и микровзрывы
зарядов [8]. Принципиально все они могут быть использованы, однако
каждый имеет свои достоинства и недостатки с точки зрения
применения в космических двигателях, особенно при использовании
солнечной плазмы, имеющей разнообразный изотопный состав.
Причем основой солнечной плазмы является изотоп водорода 1Н,
который имеет очень малое сечение термоядерных реакций, и его
повышенное содержание недопустимо в термоядерной плазме. Кроме
того, например, возникают сложности при организации
взаимодействия солнечной плазмы с термоядерной плазмой в
замкнутых системах типа «Токамак». Поэтому представляется, что в
термоядерных двигателях наиболее перспективны термоядерные
микровзрывы зарядов при импульсном нагреве лазерным или
электронным пучками. Принципиально способ создания силы тяги
двигателя при термоядерном микровзрыве включает подачу из КА
термоядерного заряда, а затем взрыв заряда с образованием потока
ядерных частиц, которым воздействуют на воспринимающее
устройство КА и создают силу тяги на КА, например, согласно [45].
Такой способ относительно прост, принципиально позволяя сериями
микровзрывов получить достаточно большую по величине силу тяги и
при высоком удельном импульсе, при этом скорость
прореагировавших термоядерных ядер до 2-107 м/с.
Однако весь парадокс в том, что такой двигатель имеет высокую
эффективность использования энергии рабочего тела зарядов только
при высоких скоростях полета КА, а для малых скоростей полета КА -
118
10-100 км/с этот двигатель имеет относительно малую эффективность
перехода энергии частиц в энергию КА, и для повышения
эффективности ускорения необходима меньшая скорость рабочего
тела и больший массовый расход, что уменьшает необходимую
энергию.
Для сравнения отметим, что практически во всех авиационных
газотурбинных двигателях используется дополнительный контур, в
котором подводят холодный воздух к горячему рабочему телу, их
смешивают и они совместно истекают. При этом происходит
уменьшение температуры газа и скорости истечения по сравнению с
истечением одного горячего рабочего тела, однако благодаря
значительному повышению массы истекающего газа в реальности
сила тяги двигателя увеличивается. Причем это происходит при
одном и том же уровне тепловой энергии рабочего тела, что повышает
эффективность использования тепловой энергии для ускорения
летательного аппарата.
Однако этот метод присоединения масс вполне применим и
здесь для термоядерных микровзрывов, при этом в качестве
присоединяемой массы вполне подходит солнечная плазма, у которой
скорость порядка 300+1500 км/с и намного меньше скорости
термоядерных частиц. При этом энергия высокоскоростных
термоядерных частиц передается солнечной плазме, превращаясь в
тепловую энергию плазмы и ее силу давления на магнитные поля КА.
Для примера рассмотрим ускорение КА, конструктивно анало-
гичного разгоняющей станции по разделу 4.3, но без направляющего
магнита и с одной системой магнитов концентрации плазмы,
имеющего массу магнитных систем 80 т. Для расчета принимаем, что
ожидаемая масса устройства для получения термоядерных
микровзрывов равна 30 т. И при полезной нагрузке 40 т общая масса
КА равна 150 т. Магнитная система КА обеспечивает захват плазмы
спокойного солнечного ветра с радиуса гп = 100 км при радиусе
диффузора гм = 1 км и поле Нм = 104 А/м при массовом расходе
плазмы тс= 2,1 10’4 кг/с с энергией \Л/С = 1,68 107 Вт и силе тяги
R= 167,6 Н по таблицам 1.2-1.3.
Используется серия микровзрывов смеси дейтерия и трития, их
реакция синтеза 3H(d,n) 4Не, позволяющая получать энергию
1,7 1014Дж/кг, при этом скорость термоядерных ядер « 2-107 м/с =
2-Ю4 км/с. При массе заряда М31= Ю* кг эффективность
использования массы 10"4 -10'2 (масса заряда, которая вступила в
термоядерные реакции ), а здесь для расчета принимаем 10“2 = 1%, то
есть 1% топлива заряда успевает прореагировать, а остальная часть
просто разлетается в виде плазмы с энергией частиц порядка
10-20-103(1,6-10'19) Дж. Тогда выделяющаяся энергия при одном
119
микровзрыве составляет 1,7-10® Дж, а серия из к = 100 микровзрывов
в секунду обеспечивает выделение энергии 1,7 108 Дж/с = 1,7 10® Вт.
Отметим, что ядра после реакций при их скорости 2-104 км/с очень
быстро покидают объем заряда и мало передают энергии плазме,
образующейся на месте нагрева заряда и его микровзрыва. Поэтому в
таком предельном случае импульс силы при единичном микровзрыве
составляет до 0,1+0,2 Н от высокоскоростных атомов плюс сила до
1+2 Н от плазмы заряда (99% от массы заряда в сочетании с
относительно низкой скоростью), а общий импульс - порядка 2 Н. Для
серии микровзрывов к = 100 с"1 сила тяги составляет RT= 100+200 Н, а
здесь для оценки принимаем RT== 200 Н (из них -20 Н - от
высокоскоростных атомов, и -180 Н - от плазмы заряда). При этом
общий массовый расход вещества зарядов для к = 100 с"1 составляет
М3 = 10‘4 кг/с.
При взаимодействии термоядерного микровзрыва с солнечной
плазмой в первом приближении можно принять, что плазма от
микровзрыва практически не передает энергии солнечной плазме
(энергии ионов близки в обеих плазмах). Тогда в первом приближении
сила тяги от плазмы заряда остается равной -180 Н. Однако до
80+90% выделившейся энергии микровзрыва уносится
высокоскоростными ядрами продуктов реакций, и они попадают в
обширную зону солнечной плазмы, дрейфуют по магнитным силовым
линиям поля диффузора, и при этом происходит их взаимодействие и
нагрев солнечной плазмы. Принимаем, что эффективность передачи
энергии ядер после реакций к солнечной плазме составляет 50%, то
есть солнечной плазме передается энергия 8107 Дж. Эта добавка
энергии в -4 раза больше энергии солнечной плазмы с
соответствующим повышением тепловой энергии и температуры
солнечной плазмы, при этом и сила тяги от солнечной плазмы растет
в 2 и более раз, с R-= 167,6 Н до R' = 330+350 Н. И с учетом силы
тяги от плазмы заряда общая сила тяги двигателя составит порядка
500 Н. Таким образом, сила тяги от высокоскоростных ядер в 20 Н
превращается в -170 Н благодаря добавлению массы солнечной
плазмы, в которой энергия ядер переходит в тепловую энергию
солнечной плазмы. Отметим, что в реальности плазма заряда также
взаимодействует с солнечной плазмой, передавая ей часть энергии,
которая зависит от соотношения температур и скоростей, и
передаваемая энергия максимальна для солнечной плазмы с низкими
V-300 км/с и Те- 105 К и минимальна для скорости солнечной плазмы
до 1500 км/с и Те>10вК. Тогда в этом случае общая сила составит
550+600 Н. При этом ускорение КА достигнет (3,3+4)10® м/с2, что за
120
год полета даст прирост скорости 1004-120 км/с при расходе зарядов
массой 3 т.
Отметим, что при радиусе поля диффузора гп= 100 км и скорости
ионов солнечного ветра V ~ 400 км/с время их движения в магнитном
поле диффузора до 0,25 с, в зависимости от места попадания в
магнитное поле. А частота микровзрывов к = 100 с’1, или среднее
время между микровзрывами составляет 0,01 с. Значит, практически
вся солнечная плазма при движении подвергается воздействию
потока высокоскоростных ядер, а часть плазмы взаимодействует, и
несколько раз с ядрами от различных микровзрывов.
Естественно, еще более высокие характеристики такой
термоядерный двигатель будет иметь при кратковременных потоках
плазмы от солнечных вспышек. При этом необходимо увеличивать
число микровзрывов до 103+104 в секунду или применять более
тяжелые заряды. А сила тяги такого двигателя увеличивается до
50004-10000 Н, обеспечивая ускорение до 0,04+0,07 м/с2, что при
времени ускорения ~104 с соответствует приросту скорости -0,7 км/с
даже для такого тяжелого КА.
Таким образом, принципиально возможно совместное
применение термоядерных микровзрывов с добавлением массы
солнечной плазмы.
В дальнейшем, по мере доводки и отработки устройств по
организации термоядерных микровзрывов, необходимо совершить
переход на заряды из гелия-3 3Не и дейтерия с реакцией 3He(d,p) 4Не.
Достоинством таких зарядов является отсутствие нейтронов, которые
образуют при реакции 3H(d,n) 4Не, и эти нейтроны уносят с собой
значительную часть энергии реакции, практически не реагируя с
солнечной плазмой, но зато подвергая интенсивной бомбардировке
системы самого КА, что отнюдь не желательно.
Однако подчеркнем, что в реальности этот способ в чистом виде
вряд ли найдет применение. Дело в том, что для вышеприведенного
примера уровень тяги 5004-600 Н может быть достигнут и за счет
увеличения числа микровзрывов с к=100 с'1 до к=250+300 с'1, при этом
расход зарядов увеличится с 3 т в год до 8+9 т в год, что намного
меньше массы диффузора 80 т. Поэтому само по себе применение
добавочной массы солнечной плазмы перспективно лишь при условии
совершенствования конструкции и снижении массы диффузора или
при транспортировке разгоняющей станции с модулем для сбора
изотопов на требуемую траекторию движения в пространстве.
121
6.2 СХЕМА ТЕРМОЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДОЖИГАНИЕМ
В СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЕ
Рассмотрим движение КА, аналогичное рассмотренному в
разделе 6.1. Перспективным является использование дожигания
частиц микровзрыва в солнечной плазме. Как уже отмечалось в главе
5, солнечная плазма имеет определенный изотопный состав, а
особенно перспективны потоки солнечной плазмы, богатые гелием-3.
И при микровзрывах зарядов 3Н (d,n) 4Не вследствие использования
не более 1% массы зарядов образуется разлетающаяся плазма с
энергией частиц порядка 10 кэв и более из трития и дейтерия. Причем
микровзрыв заряда осуществляется в однородном магнитном поле на
оси диффузора с Нм=104 А/м, и эта плазма захватывается полем
диффузора и движется, дрейфует по магнитным силовым линиям
поля диффузора. Причем по зависимости (1.32), например, для ядер
дейтерия ларморовский радиус i;=0,83 ’sin а м при шаге винтовой
поверхности h = 5,2cosa м. После микровзрыва заряда плазма
разлетается изотропно по всем направлениям, а минимальное время
нахождения в поле диффузора имеет плазма, движущаяся строго по
оси диффузора, и оно составляет -8-10‘3 с. А максимальное время
нахождения в поле диффузора имеют частицы, которые разлетаются
с вектором скорости, перпендикулярным к магнитным силовым
линиям поля, при этом угол между ними близок к 90°, например, при
а= 89° cosa = 0,01745 величина шага составляет всего h = 0,088 м при
периоде витка 5-1 О'6 с, при этом время пребывания частицы в поле
диффузора может достигать десятков секунд. При этом среднее
время пребывания частиц плазмы заряда до их вылета из поля
диффузора составляет порядка 0,1 с, из них до 0,01+0,001 с частицы
находятся в области достаточно высоких концентраций солнечной
плазмы вблизи плоскости диффузора. Таким образом, для поля
диффузора с его большими габаритами плазма после взрыва заряда
будет достаточно долго дрейфовать по полю диффузора, прежде чем
вылететь из этого поля. Причем при серии микровзрывов с к = 100 с-1
время между взрывами равно 0,01 с, поэтому постоянно
поддерживается достаточно высокий уровень плазмы из дейтерия и
трития после взрывов.
Отметим, что для дейтерия энергия 104(1,6-10"19) Дж
соответствует скорости атома ~106 м/с = 1000 км/с и имеет
практически одинаковый уровень с энергией плазмы от солнечных
вспышек. Более того, значительная часть частиц от солнечной
вспышки имеет энергию, превышающую энергию плазмы
взорвавшегося заряда. Таким образом, при использовании плазмы и
частиц от солнечных вспышек практически нет потерь энергии
122
разлетевшейся плазмы заряда на нагрев солнечной плазмы, ее
просто не требуется нагревать. Да и для солнечной плазмы от
спокойного солнечного ветра энергия атомов достаточно велика, лишь
на один-два порядка уступая энергии разлетающейся плазмы заряда,
и здесь потери энергии этой плазмы на нагрев также невелики.
Снижение же потерь энергии плазмы заряда повышает
эффективность дожигания плазмы заряда в солнечной плазме.
Для увеличения времени пребывания части плазмы заряда в
поле диффузора возможно образование любым способом магнитной
«ямы» вблизи оси диффузора, в которой магнитное поле значительно
меньше поля диффузора. Это достигается, например, за счет
установки дополнительного магнита - соленоида, поле которого при
взаимодействии с полем и образует магнитную «яму» с малым общим
магнитным полем.
Для микровзрыва заряда используют дейтерий и тритий с
реакцией 3H(d,n)4He, а в дальнейшем возможен переход и на гелий-3 с
дейтерием с реакцией ее 3He(d,p)4He. В солнечной плазме возможно
дожигание разлетевшихся атомов плазмы зарядов, при этом в силу
разнообразного изотопного состава будут идти многие реакции, такие
как 3He(p,d)4He, 3He(t,d)4He, T(t,2n)4He, fl(d,n)3He, fl(d,p)T, 3H(d,n)4He и
т.п., вплоть до реакций с протонами, имеющие сечения реакций на
несколько порядков ниже, чем 3H(d,n)4He, но все же идущие.
Таким образом, в зависимости от конструктивного совершенства
КА и изотопного состава солнечной плазмы и ее концентрации
(идеально - плазма солнечной вспышки, богатой гелием-3) возможно
дожигание в солнечной плазме еще 1+10% от массы плазмы от
микровзрыва заряда. При этом соответственно повышается и тяга
двигателя, а с учетом и добавки - присоединения массы солнечной
плазмы согласно разделу 6.1 сила тяги повышается в 3+12 раз по
сравнению с силой тяги по разделу 6.1. Значит, увеличивается и
ускорение КА, повышается эффективность использования вещества
зарядов. И такая система становится значительно более выгодной по
сравнению с одним эффектом от добавки массы солнечной плазмы по
разделу 6.1. Более того, здесь уже становится выгодным применение
диффузора для сбора солнечной плазмы, так как для создания
подобной силы тяги с помощью одних микровзрывов требуется резко
увеличить число микровзрывов до 104 и даже до 105 с’1 для плазмы
солнечных вспышек, что дает резкое увеличение нагрузки на
устройство для получения термоядерных микровзрывов, что вряд ли
возможно. Кроме того, увеличение числа микровзрывов приводит к
увеличению расхода массы зарядов, и их общая масса становится
сопоставимой с массой диффузора. Тем более что конструкция
устройства для получения термоядерных микровзрывов для числа
123
к=100 с“1 значительно проще и легче, чем устройство, рассчитанное
на число микровзрывов до 104+105 с’1.
Однако отметим, что применение реакций на основе дейтерия и
трития или гелия-3 ограничивает возможности такого двигателя, так
как не используется основная часть солнечной плазмы - протоны
водорода 1Н. Поэтому в дальнейшем перспективно вводить в
микрозаряд атомы 11В или 9Ве, которые вступают в термоядерные
реакции с протонами. Или же наружную поверхность микрозаряда
выполняют в виде тонкостенной капсулы - оболочки из 11В или 0Ве,
внутрь которой и помещают основной микрозаряд на основе 2Н, 3Н
или 5Не.
6.3 СХЕМЫ ТЕРМОЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЫ
Известные способы достижения термоядерных реакций вполне
применимы, после их доводки и конструктивной отработки, и в
космической технике. Однако космические условия позволяют
исследовать и создавать другие оригинальные схемы и способы их
осуществления, применимые именно и только в космосе, и здесь
достаточно большой простор для научных поисков.
Рассмотрим некоторые схемы термоядерных двигателей с
использованием солнечной плазмы. При этом принимаем, что основой
конструкции КА является конструкция разгоняющей станции по
разделу 4.3, имеющая массу магнитных систем 80 т при захвате
свободной солнечной плазмы с радиуса i;= 100 км для диффузора с
Гм = I км.
Требование использования основной составляющей солнечной
плазмы - протонов 1Н заставляет обратить внимание на
термоядерные реакции с их участием. Здесь привлекают внимание 2
изотопа - 0Ве и 1В. При этом 11В обеспечивает «чистую» реакцию
р + 11В —> 3 4Не + 8,7 Мэв,
имеющую максимальное сечение о до 0,6 10‘28 м2 при энергии
налетающей частицы 0,67510е (1,6 10‘19) Дж для максимального
значения сечения. Очень большое внимание привлекают реакции с
9Ве, обеспечивающим целую цепочку ядерных реакций:
р + 9В -» 2 • 4Не + d + 0,56 Мэв, при о до 0,46 10'28 м2;
р + 9В -» ®Li + 4Не + 2,1 Мэв, при о до 0,35 10‘28 м2;
d + eLi -> 7Li + р + 5,0 Мэв, при о = 10‘3° м2;
р + eLi —»4Не + 3Не + 4,0 Мэв, при о - 10‘32 м2;
р + 7Li —»2 • 4Не + у + 17,3 Мэв, при о до 6-1 О'30 м2;
а также и другие реакции с еще меньшим сечением, в том числе
и с выделением нейтронов [47].
124
Все эти реакции с9В и 11В имеют сечение меньше на порядок и
более, чем сечение реакции 3H(d,n)4He, однако все-таки они
позволяют использовать поток протонов.
Однако необходимо использовать и другие изотопы потока
солнечных частиц, такие как 3Не, 3Н, 2Н. Для них наиболее
универсальным изотопом, реагирующим со всеми с высокой
эффективностью, является изотоп 2Н.
Таким образом, для взаимодействия с солнечной плазмой
необходимы 2 изотопа: 9Ве или 11В в сочетании с 2Н (другое
обозначение D).
Для примера рассмотрим изотоп 11В. Поскольку 11В и 2Н
предназначены для взаимодействия с ядрами разных изотопов, то нет
принципиальных ограничений для их объединения в одном
химическом веществе. И здесь привлекают внимание
бороводородные соединения, например, твердое вещество декаборан
В10Н14, имеющее температуру плавления 99,3°С при температуре
кипения 213°С. Причем возможно и получение полностью
дейтеризованного декаборана В10О14, получаемого в ходе известной и
отработанной цепочки реакций [48]. При этом плотность В10Н14
составляет 0,78-103 кг/м3, а плотность B10Di4 порядка 0,8-103 кг/м3.
Безусловно, при работе при нагреве мишени из B10D14 это вещество
быстро разлагается на изотопы 11В и D или 2Н, создавая плазму из
этих изотопов. Однако использование твердого вещества B10Di4
облегчает задачу их хранения и ввода изотопов в солнечную плазму.
Оценим необходимую толщину мишени - пленки из B10D14 • Для
легких материалов с малым атомным весом типа Ве и С полный
пробег ионов водорода составляет « 6-10"4 кг/м2 при энергии иона
12,5 103 (1,6 10’19) Дж [23]. Тогда для чистого материала 11В принимаем
массовую толщину порядка 2,4-1 О’4 кг/м2, при этом толщина пленки из
чистого 11В с плотностью -2,4103 кг/м3 составляет «10'7 м. А для
соединения B10D14 с плотностью 0.8-103 кг/м3 необходимая толщина
пленки составляет «310'7 м =0,3 мкм. Значит, необходима пленка из
B10D14 толщиной «0,3 мкм, и ее получение является сложной
технологической задачей, однако вполне соответствующей
современному передовому уровню технологий (например, нанесение
пленки на подложку, которая затем каким-либо способом удаляется).
При этом масса 1 м2 составляет 2,4-10-4 кг/м2.
Здесь возникает вопрос о площади пленки. Принимаем для
расчета радиус цилиндрической оболочки равным г™ =10 м (и равным
радиусу соленоида направляющего магнита у разгоняющей станции) и
длину пленки 1пл «15 м, тогда площадь цилиндра из пленки равна
«1000 м2 и масса подобной пленки из B10D14 составляет 0,24 кг.
125
Отметим, что здесь лишь расчетная оценка, так как лишь прямые
реальные эксперименты смогут ответить на вопрос о длине пленки 1^,
при которой через нее пройдет основная часть солнечных частиц и
плазмы при их движении по полю диффузора к его оси.
Схема подобного термоядерного двигателя изображена на рис.
6.1. и предназначена для работы с потоками частиц от солнечных
вспышек. Такой простейший термоядерный двигатель предназначен
прежде всего для работы с потоками частиц от солнечных вспышек, в
том числе и с солнечной плазмой (особенно с высокими скоростями
V).
Рис. 6.1. Схема термоядерного двигателя
1 - магнитный диффузор; 2 - система магнитов концентрации;
3 - пленка для осуществления термоядерных реакций солнечных
частиц.
4 - поток солнечных частиц, в том числе и плазмы;
5 - дополнительный магнит.
Здесь на Земле или на самом ускоряемом КА оптически
регистрируется появление и прохождение мощной солнечной вспышки
1...3 балла, и после этого на КА регистрируется появление потока
релятивистских ионов - солнечных космических лучей высокой
энергии. После этого из хранилища извлекается пленка B10D14 и
устанавливается по оси диффузора и системы магнитов концентрации
в зону интенсивных потоков солнечных частиц (естественно, это
осуществляют быстро - за минуты). При этом происходит быстрый
нагрев пленки с разложением молекул B10D14 и образование плазмы
из ионов 11В и 2Н (D). И эта плазма взаимодействует с потоком
протонов и других ионов от солнечной вспышки, а также с солнечной
плазмой, являющейся смесью тех же протонов и других ионов с
электронами. При этом, например, протон плазмы со скоростью
1400 км/с имеет энергию 104 (1,6-10‘19) Дж, и этой энергии уже
126
достаточно для начала термоядерных реакций в
высокотемпературной плазме из 11В, 2Н и солнечных протонов 1Н с
сопровождающими ионами 2Н, 3Не, 3Н. Температура образующейся
плазмы из смеси ядер разных изотопов определяется прежде всего
параметрами потоков от солнечных частиц. Так, солнечная плазма от
мощной вспышки со скоростью 1400+2000 км/с позволяет нагреть
пленку до температуры 107+108 К и даже более. А для маломощных
вспышек, но зато богатых гелием-3, температура плазмы из пленки
составит порядка ~ 105 К, и здесь термоядерные реакции
осуществляются прежде всего за счет энергии налетающих ионов 3Не.
Время нагрева плазмы из пленки также определяется мощностью
потока частиц и составляет от единиц до десятков секунд, при этом
температура плазмы колеблется в зависимости от изменения
мощности потока частиц.
Подчеркнем, что и нагрев пленки до плазмы, и поддержание ее
температуры осуществляется только за счет энергии солнечных
частиц и термоядерных реакций. При этом осуществляется
стационарный режим работы двигателя, а неизбежные пульсации
ничтожны по сравнению со скачками параметров во время
термоядерных микровзрывов, а стационарный режим благоприятен
для работы магнитных систем двигателя.
Возникает вопрос об удержании плазмы из пленки. Для этого в
схеме двигателя и предусматривается дополнительный магнит, при
этом получается любопытная конфигурация магнитных полей. На оси
диффузора его поле с высокой точностью является однородным, и в
это поле вносят дополнительный магнит - виток с током, радиус
которого гмд значительно меньше радиуса диффузора гм, например, с
10 м = гмд « гм = 1000 м с полем Нм на его оси. При этом
дополнительный магнит никак не влияет на поле диффузора вдали от
магнита на расстоянии уже 3+10- гмд и влияет лишь в малой области
оси диффузора и вокруг самого магнита. При этом поле такого
магнита направлено против поля диффузора, тем самым уменьшая
его в области своего влияния. Причем, как известно, поле вблизи
самого витка с током в 2+3 раза больше поля по оси витка. А здесь
принимаем, что поле вблизи витка дополнительного магнита
выполняется примерно равным полю диффузора Нм. Тогда возникает
конфигурация полей, приведенная на рис. 6.2.
При этом в зоне Б напротив витка дополнительного магнита
образуется кольцевая полость, в которой магнитное поле примерно
равно нулю (в силу равенства полей витка и диффузора и их
взаимоуничтожения). В зоне В поле увеличивается по мере удаления
от сильного влияния поля витка, и где-то на расстоянии 3+4- гмд его
поле становится пренебрежимо малым по сравнению с полем
127
диффузора и переходит в зону Д с однородным полем диффузора Нм.
Причем из-за уменьшения поля витка на его оси не происходит
полного уничтожения поля диффузора на общей оси диффузора и
витка дополнительного магнита, поэтому по оси образуется зона Е, в
которой поле больше поля зоны Б (хотя и резко уменьшенное по
сравнению с Нм). Однако в силу относительно малого радиуса Гмд
витка его поле быстро падает (пропорционально кубу расстояния от
витка), поэтому и зона Б переходит в зону Г, где поле постепенно
повышается до поля диффузора с Нм. Таким образом, возникает
магнитная «яма», кольцевая полость с пониженным магнитным полем,
окруженная более сильными полями. И именно в эту полость
помещают пленку B10D14, которую нагревают потоком солнечных
частиц и в результате получают кольцевую полость с плазмой 11В и
2Н, взаимодействующих с потоком солнечных частиц из различных
ядер изотопов. При этом кольцевая полость зоны Б заключена между
зоной Г и магнитным полем системы концентрации, которое
перпендикулярно полю дополнительного магнита и диффузора и
практически не влияет на создание магнитной полости.
Рис. 6.2. Конфигурация поля с дополнительным магнитом
I - поле магнитного диффузора; 2 - часть системы магнитов
концентрации, 3 - дополнительный магнит.
Отметим, что если обратиться к конструкции разгоняющей
станции, то в качестве дополнительного магнита может
использоваться основной соленоид направляющего магнита,
перемещенный по другую сторону от системы магнитов.
Определим эффективность такого двигателя в первом
приближении для твердой мишени из пленки по зависимости:
AN = o n Az l; (6.1)
где AN - число частиц, вступивших в ядерную реакцию;
I - плотность потока солнечных частиц через мишень, м‘2с‘1;
Az - толщина мишени - пленки;
п - концентрация ядер мишени, м-3;
128
g - эффективное сечение ядерной реакции. И для пленки B10D14
концентрация ядер 11В п = 3,5 1028 м’3, и при толщине мишени, равной
толщине пленки Az = 0,3 мкм=3 10-1 м, при среднем сечении реакции
о~0,510'28 м2 получаем AN=5,2-10-71. При солнечной вспышке
плотность потока частиц до 1013+1015м"2с-1, а при концентрации в
диффузор величина плотности повышается до 10п+1019м"2сч, затем
при движении по полю внутри диффузора и системы магнитов
концентрации к оси диффузора величина плотности I повышается до
1О20 +10мм-2сч. При среднем значении I-IO^m'V1 получаем число
частиц, вступивших в термоядерную реакцию AN~5,2-1015, что при
выходе энергии в реакции 8,7 Мэв соответствует мощности
0,72-104Дж/с = 7,2-103Вт. Подчеркнем, что эти расчеты относятся к
площади мишени - пленки 1 м2 А для пленки с площадью 1000 м2
мощность составит 7,210е Вт. Причем это для весьма грубого
приближения с однократным прохождением солнечных частиц через
мишень - пленку или соответствующую плазменную область в
магнитной кольцевой полости. В действительности возможно и
двукратное прохождение частиц, например, когда частица проходит
через стенку кольцевой полости и идет через центральную область
диффузора с последующим прохождением через другую стенку
кольцевой полости, а кроме того, значительная часть солнечных
частиц удерживается магнитной полостью (особенно плазма от
вспышек) с обеспечением при этом многократного прохождения через
плазму в полости и т.п. Однако и эта грубая оценка позволяет считать,
что по мере отработки конструкций такого двигателя можно получить
весомую добавку энергии для плазмы и повысить силу тяги.
Отметим, что концентрация ядер nB n = 3,5 1028 м"3 и толщина
пленки Az = 0,3 мкм соответствует общему числу атомов 11В порядка
1022 на площадь 1 м2 пленки. И при расплывании 1 м2 пленки до
толщины слоя плазмы ~3 м в магнитной полости зоны Б средняя
концентрация ядер 11В станет равной ~З Ю21лГ3, что вполне реально.
Таким образом, из пленки образуется слой плазмы в виде кольца со
средним радиусом, равным радиусу дополнительного магнита, здесь в
примере гмд = 10 м, и толщиной слоя кольца ~3 м для условий
примера. Длина такого кольца плазмы определяется длинами пленки
и образуемой магнитной полости, составляя до 1,5+3-х радиусов гмд, и
для условий примера это составляет 15+30 м, что обеспечивает
получение плазмы с концентрацией 11В до 1015 +31015 см’3 (при этом
плазма расширяется до равновесия давлений с магнитным полем).
Число частиц 11В, вступающих в ядерные реакции AN = 5 1015 с
площади 1 м2, а общее число ядер 11В на площадь 1 м2 составляет до
129
1022, то есть одной пленки хватает примерно на 2Юбс = 600ч. А
учитывая большие потери ядер 11В на просачивание из магнитной
полости зоны Б в другие зоны поля диффузора и другие виды потерь,
реально считать, что одной такой пленки хватает на одну солнечную
вспышку. Тем более что после распыления пленки и перехода ее в
плазму - назад - в состояние пленки уже не вернуть, даже если часть
этой плазмы и окажется неиспользованной, и эта плазма просто
истечет в космос с созданием силы тяги. Учитывая, что в год
происходит несколько десятков солнечных вспышек 1...3 балла, то
столько же и понадобится пленок из B10D14, при этом годовой расход
пленок составит до 5+20 кг.
Подчеркнем, что такой простейший термоядерный двигатель на
основе пленок может реализовываться в качестве дополнительного
устройства и на малых диффузорах, в том числе и на базовом
варианте КА с ускорением солнечной плазмой с радиусом захвата гп =
10 км, подробно рассмотренный в главе 2. Также подчеркнем, что
такой двигатель используется для увеличения ускорения КА в потоках
солнечных частиц (включая плазму) после вспышек, а при спокойном
солнечном ветре КА ускоряется другими способами, например, за счет
энергии и давления солнечного ветра согласно устройствам по главе
1.
Другие схемы термоядерного двигателя приведены на рис. 6.3.
а) б)
Рис. 6.3. Схемы термоядерных двигателей
а) с отражающей магнитной системой; б) с отражающей
магнитной системой и дополнительным магнитом
1 - магнитный диффузор; 2 - система магнитов концентрации;
130
3 - отражающая магнитная система; 4 - поток солнечных частиц;
5 - зона плазмы из 2Н и 11В или 9Ве; 6 - система подвода
изотопов 2Н, 11В или 9Ве; 7 - дополнительный магнит.
При этом поток плазмы из смеси 2Н и 11В оказывается между
системой магнитов концентрации и отражающей магнитной системой,
которая представляет собой плоскость из множества миниатюрных
постоянных магнитов из сплавов, обеспечивающую резкую границу
области с высоким магнитным полем по сравнению с полем
диффузора. Тем самым система магнитов концентрации и
отражающей магнитной системы конструктивно аналогичны. При этом
поле диффузора между этими двумя магнитными системами
представляет собой магнитную «яму», в которой находится плазма из
смеси из 2Н и 11В (или 9Ве) и в которую попадает поток солнечных
частиц, скапливаясь там и одновременно истекая из нее в стороны - в
зазор между магнитными системами. И в этой магнитной «яме»,
полости, в плазме из смеси ядер различных изотопов и
осуществляются термоядерные реакции, которые дополнительно к
энергии солнечных частиц разогревают эту плазму. Между
вариантами а) и б) различие в том, что в варианте б) более глубокая
магнитная «яма» за счет установки дополнительного магнита,
аналогичного описанному выше на рис. 6.1. и 6.2. Принципиально
вариант б) более надежен при удержании плазмы из пленки, чем
вариант а) на рис. 6.3. или вариант на рис. 6.1. Однако такие системы
имеют и крупные недостатки, связанные с помещением отражающей
магнитной системы в зону высоких температур. Поэтому подробно
рассмотренная схема на рис. 6.1. наиболее проста и реальна, однако
принципиально и другие описанные схемы могут использоваться, а
также и другие возможные схемы, которые будут предложены в
дальнейшем.
Отметим, что в частном случае при движении КА вблизи Солнца,
на орбите Меркурия или Венеры эффективность осуществления
термоядерных реакций существенно повышается, что объясняется
повышением температуры и энергии солнечных частиц при
приближении к Солнцу. Например, для спокойного солнечного ветра
температура вблизи Солнца равна (1 + 3)106 К, а при движении к
Земле ветер охлаждается и температура падает до среднего значения
-1,4 105 К [3]. Однако это относится и к параметрам частиц после
солнечной вспышки, теряющим энергию на пути движения к Земле,
поэтому температура и энергия частиц, воздействующих на плазму из
пленки, значительно повышается и приводит к увеличению
эффективности термоядерных реакций при приближении КА к Солнцу.
131
Для использования плазмы спокойного солнечного ветра с
невысокой скоростью 300+500 км/с и малой энергией необходимо
нагревать плазму из смеси 2Н и 11В в магнитной полости до
температуры 107+108 К. При этом такая конструкция сближается с
известными методами и устройствами типа «Токамак», поэтому
требуется более тщательный анализ перспективности использования
здесь плазмы солнечного ветра как компоненты термоядерных
реакций. По крайней мере, это возможно лишь как отдаленная
перспектива, после отработки и доводки термоядерных установок
типа «Токамак», а затем изучения применимости такого устройства и в
космических двигателях, в том числе с использованием плазмы
спокойного солнечного ветра. Возможно, со временем появятся новые
технические решения, которые и позволят осуществлять
термоядерные реакции в плазме спокойного солнечного ветра с
помощью достаточно легких и эффективных устройств.
К еще более отдаленному будущему относится осуществление
термоядерных реакций протонов 1Н между собой типа р + р -> d +е*
+7+ 2,2 Мэв, требущих пока недостижимых сейчас условий в такой
плазме. Однако, безусловно, это принципиально позволит в будущем
осуществить известную идею прямоточного термоядерного двигателя
для КА, движущегося с большой скоростью и захватывающего
протоны из межпланетной среды согласно известной схеме по [5].
132
ГЛАВА 7 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ
7.1 ЛУННАЯ БАЗА
В последние десятилетия активно обсуждается проект лунной
базы и даже предпринимаются конкретные шаги по разработке ее
отдельных элементов по программе NASA [50].
Возможны разные варианты конструкций элементов лунной
базы. Например, дома базы представляют как глубоко зарытые в
лунный грунт помещения-модули, сверху также покрываемые лунным
грунтом [50], и лишь небольшая часть дома выступает на поверхность
Луны (своеобразная подводная лодка). В принципе, это вполне
логично, учитывая практическое отсутствие атмосферы и магнитного
поля Луны при интенсивном потоке солнечных частиц и космических
лучей, что приводит к недопустимо большой радиации для
незащищенных людей на поверхности. Однако сейчас на Земле мы
имеем «пленочные» города и поселки, а дома располагаются на
поверхности Земли, и практически нет людей, живущих под
поверхностью Земли. И с психологической точки зрения необходимо
загнать людей-землян на лунной базе (пусть и на смену в полгода)
под поверхность Луны и под многометровый слой грунта (пусть и с
возможностью периодического выхода на поверхность), а это
большая проблема, связанная с коренной ломкой психологии землян.
Поэтому для нормального режима жизни землян идеальным является
размещение их жилищ на поверхности Луны, с «видом через окна на
ландшафт» Луны и Землю. Однако при этом встает проблема защиты
домов от космической радиации. Другой серьезной проблемой для
лунной базы является тот факт, что земляне живут в магнитном поле
Земли, и наверняка организм людей имеет тесные связи с этим
полем. Поэтому пребывание людей на Луне, у которой практически
нет магнитного поля, вполне может привести к тяжелым или даже
необратимым последствиям для здоровья людей.
Для решения вышеприведенных проблем, а также и других
проблем лунной базы вполне может использоваться магнитный
диффузор с дополнительными системами. Схема такой базы
приведена на рис. 7.1., при этом магнитные системы конструктивно
аналогичны разгоняющей станции согласно главе 4, а также включает
модуль для сбора изотопов, конструкция которого приведена в
разделе 5.5.
Если, как и для примера разгоняющей станции в главе 4,
используется магнитный диффузор с радиусом rM = I км и полем Нм =
104 А/м, то напряженность магнитного поля 27+50 А/м,
соответствующая полю Земли, достигается на расстоянии 4,6+5,8 км
от оси диффузора.
133
Рис. 7.1. Схема лунной базы
I - магнитный диффузор; 2 - опоры крепления диффузора;
3 - модуль для сбора изотопов; 4 - направляющий магнит;
5 - система магнитов концентрации плазмы;
6 - магнитное поле диффузора; 7 - жилые дома базы;
8 - поверхность Луны; 9 - поле солнечных батарей, 10 -
производственные корпуса базы.
И именно в этой области, в этом кольце с полем, равным
земному, и располагают дома жителей базы. При этом мощное
магнитное поле толщиной в десятки километров практически
исключает попадание подавляющей части космических лучей и всей
солнечной плазмы на поверхность Луны в области жилых домов базы.
И лишь в случае потока частиц от сверхмощной солнечной вспышки
люди могут прятаться в глубоких подвалах своих домов или
убежищах. А сам диффузор размещен над поверхностью Луны на
высоте 54-20 м на опорах крепления, что резко уменьшает теплообмен
между поверхностью Луны и диффузора.
Магнитное поле диффузора также прикрывает и поле солнечных
батарей от попадания на них потоков солнечной плазмы и
значительной части космических лучей, что облегчает условия работы
батарей и резко повышает их срок службы.
Производственные и научные здания могут располагаться где
угодно, без каких-либо ограничений, в том числе и в области кольца с
земной напряженностью поля, вместе с жилыми домами.
Таким образом, поле магнитного диффузора является
магнитным зонтом над базой, обеспечивающим вполне нормальные
условия работы сотрудников базы. Однако помимо защитных функций
магнитный диффузор со своими дополнительными системами
выполняет и другие задачи.
Так, с помощью направляющего магнита, установленного в
магнитном диффузоре, аналогично конструкции станции по главе 4,
можно получить разгоняющую станцию для ускорения КА с
поверхности Луны. Для Луны первая космическая скорость равна
134
1,68 км/с, а вторая - 2,33 км/с, и эти скорости вполне обеспечиваются
разгоняющей станцией на основе диффузора. При этом станция на
спокойном солнечном ветре разгоняет КА массой до 400*500 кг, а на
плазме солнечных вспышек разгоняются КА массой до 5 т согласно
разделу 4.2. Причем возможно как непосредственное ускорение КА к
Земле, так и с выходом на орбиту вокруг Луны и с последующим
дополнительным ускорением двигателем самого КА с целью
получения точной траектории движения к Земле. Естественно, такая
станция используется в первую очередь для разгона грузовых КА, а
люди улетают на КА с химическими двигателями, однако нет
принципиальных ограничений по старту КА и с людьми. Дело в том,
что при солнечных вспышках поток солнечных космических лучей с
большой энергией движется практически со скоростью света и
буквально через 20*30 минут достигает орбиты Луны, а более
низкоскоростная плазма достигнет орбиты Луны через 1+2 суток, когда
интенсивный поток солнечных космических лучей практически уже
закончился или заканчивается. Поэтому нет препятствий, кроме
психологических, и для старта КА с людьми с Луны на потоке
солнечной плазмы после вспышек при массе КА до 5 т с последующей
коррекцией траектории движения двигателями самого КА. А в
качестве легких КА выступает, например, транспортная платформа,
снабженная двигателем с малым запасом топлива для движения к
высокой орбите вокруг Земли, с грузовой базой, на которой к
платформе крепится оборудование или материалы для доставки на
Луну, а двигатель заправляется топливом для последующего
перелета кЛуне и посадки на лунной базе. Или, например, легкие КА -
это пустые емкости из-под каких-либо компонентов, которые
сливаются на лунной базе, а затем эти емкости (в сущности - это
возвратная тара многократного использования) снова разгоняющей
станцией направляются на околоземную орбиту, где на грузовой базе
их заправляют компонентами, доставленными с Земли, и эти емкости
(с двигателями) снова направляются на Луну. Тем самым
разгоняющая станция на основе диффузора и направляющего
магнита позволяет резко снизить потребности лунной базы в
водороде и других компонентах ракетного топлива для современных
химических двигателей КА. При числе вспышек в несколько десятков в
год и учитывая, что не все они могут быть использованы подобной
станцией (например, когда она находится на ночной стороне Луны),
одна такая станция способна ускорять в год до 10*20 тяжелых КА с
массой 5 т и сотни легких КА с массой порядка 500 кг.
Также одной из главных проблем для лунной базы является
снабжение водой. При этом с кислородом для получения воды нет
особых проблем, так как наиболее распространенным минералом на
135
Луне является окись кремния. И установка массой 8 т и мощностью 75
кВт может производить в сутки 91 кг жидкого кислорода, что вполне
достаточно, так как 12-ти лунным колонистам в месяц для жизни
нужно всего 350 кг кислорода [51]. Однако большие проблемы с
водородом. Так, для добычи 40 т водорода в год, главным образом
для топлива двигателей КА, предполагается организовать
переработку лунного грунта. При этом необходимо перерабатывать
6700 т грунта тонкой фракции в день (или 80000 т в год, за 120 суток
непрерывной работы, или 80 кг/с =280 т/час), а для обеспечения
такого забираемого объема предполагается «передвигать» весь
комплекс со скоростью 6 км/ч при глубине обработки грунта до 1 м.
Затем эта масса грунта с помощью солнечного коллектора
нагревается до 700° при давлении до 10 ата, при этом из лунного
грунта выделяются водород и другие газы [50]. Для нагрева такого
количества грунта необходима тепловая мощность солнечных
коллекторов до 100 МВт с площадью до 8-104 м2, то есть весьма
габаритное и тяжелое сооружение. Да и открытая добыча грунта
требует горных машин с их немалым энергопотреблением. И весь этот
комплекс машин и систем по добыче водорода ничуть по массе не
уступает диффузору с его системами, а то и превосходит. Поэтому и
для получения изотопов на лунной базе может использоваться
диффузор с дополнительным модулем для сбора изотопов,
конструкция которого описана в разделе 5.5, при массе такого модуля
до 20 т. При этом модулем и другими дополнительными устройствами
производится полное разделение изотопов, которые затем
направляют в различные хранилища. Затем, например, дорогие
изотопа 3Не и 3Н направляют на Землю, а другие изотопы идут на
нужды лунной базы. Так, гелий-4 пойдет в качестве охлаждающего
тела для поддержания используемых магнитов в сверхпроводящем
состоянии, для других устройств и научных приборов с гелиевым
охлаждением. Также гелий-4 является вполне допустимой добавкой в
атмосферу воздуха базы, разбавляя кислород и азот. Кроме того,
гелий-4 вполне может использоваться при необходимости и в
качестве добавки в топливо ракетных двигателей КА. Водород 1Н, в
среднем 4+10 т в год, используется прежде всего для получения воды,
а небольшая часть идет в хранилища для обеспечения потребностей
двигателей КА для полетов с людьми. В перспективе изотопы
дейтерия и гелия-3 могут использоваться в термоядерных реакторах
для снабжения базы энергией, а также в двигательных установках КА,
создаваемых на лунной базе. Однако в начальный период
существования базы более рационально дейтерий использовать
вместе с водородом для топлива двигателей.
136
Важным достоинством диффузора и модуля для сбора изотопов
является их неподвижность на Луне, практически отсутствуют
движущиеся детали и узлы, что обеспечивает длительный срок
эксплуатации до 104-20 лет и более (при условии обеспечения
теплового охлаждения сверхпроводников), а также имеет
неограниченность и долговечность солнечной плазмы как источника
изотопов. И по мере расширения масштабов деятельности лунной
базы достаточно постепенно размещать по поверхности Луны по
меридиану новые диффузоры, увеличивая их число до 4+5 штук и
более (в идеале - в точках, которые практически всегда обращены к
Солнцу). И когда один диффузор уходит в ночь, в работу вступают
диффузоры, обращенные к Солнцу, и так далее по меридиану; при
этом ночное время используют для осмотра и профилактического
ремонта систем диффузора и модуля. И система таких станций
обеспечивает практически непрерывное улавливание плазмы, причем
в необходимых количествах, согласно числу станций и их средней
производительности, позволяя отказаться от переработки лунного
грунта. Причем лунная база может быть одна, а каждый диффузор из
системы станций является автономным и автоматическим
устройством, снабженным хранилищами, и лишь периодически
накопившиеся изотопы вывозятся людьми к себе на базу.
Масса одного магнитного диффузора с его дополнительными
модулями и системами составляет 1004-110 т, и он доставляется по
отдельным системам на Луну, где и производится его сборка. При
этом энергопотребление диффузора и его систем порядка 104-1000
кВт, и оно осуществляется от солнечных батарей, а в ночное время -
или от аккумулятора электроэнергии, или от небольшой ядерной
электростанции (ночью энергопотребление у диффузора резко
падает). Причем по мере расширения масштабов деятельности
лунной базы и увеличения числа станций вполне возможно получать
практически все материалы и изготавливать детали (кроме, пожалуй,
сверхпроводника) на Луне, из лунных материалов, без завоза с Земли.
Итак, магнитный диффузор с его дополнительными системами и
модулем для сбора изотопов является весьма привлекательным и
нужным устройством для лунной базы, выполняя целый ряд функций:
— обеспечение радиационной защиты людей и их строений;
— создание магнитного поля, необходимого для обеспечения
здоровья людей, учитывая, что люди привыкли жить в магнитном поле
Земли;
— ускорение КА до первой или второй космической скорости и их
вывод на траекторию движения к Земле, обеспечивая транспортный
поток грузов между Землей и Луной;
137
— сбор различных изотопов солнечной плазмы, используемых
для жизнеобеспечения людей и работы устройств базы.
Таким образом, магнитный диффузор с его системами
перспективен для применения на лунной базе.
7.2 СТАНЦИЯ ПО СБОРУ ИЗОТОПОВ
Перспективным направлением в использовании солнечной
плазмы является сбор станцией изотопов плазмы с последующим их
раз-делением и использованием.
Например, для получения изотопов трития 3Н и гелия-3 обычно
используют воздействие на поток исходного вещества eLi или 7Li
потока нейтронов, с реакцией 6Li(n,t)4He и p-распад *Н->,’Не-ь е",
при этом повышают концентрацию изотопов в потоке, а затем их
выделяют из источника нейтронов - твердофазного ядерного реактора
и подают в хранилище [53]. Однако здесь для получения 1 кг трития, а
затем гелия-3 необходим нейтронный поток порядка 2-1026, а
учитывая, что лишь часть нейтронов можно использовать для
воздействия на 6LI, а основная часть нейтронов идет на поддержание
работы реактора, да еще плюс неизбежные потери нейтронов в
сочетании с относительно небольшим сечением ядерной реакции, то в
реальности требуется поток порядка (7+10)-1б2® или порядка З Ю6
делений ядер топлива в реакторе. А такое число делений
соответствует массе топлива или 239Ри порядка 100 кг, то есть для
получения 1 кг гелия-3 расходуется порядка 100 кг ядерного топлива
реактора, при этом выделяемая энергия порядка ~8 • 10 15 Дж. А такая
энергия соответствует работе типичного блока АЭС мощностью 1 млн
кВт в течение 8 10? с = 3 месяца, то есть за 1 год работы один такой
блок даст ~4 кг изотопа 3Н и Не. Это усложняет и ограничивает
возможности получения больших количеств этих изотопов, и,
например, в 7О-е годы вырабатывали всего сотни литров газа 3Не [54],
причем его стоимость достигает нескольких миллионов долларов за
килограмм. [51].
Причем научный интерес к гелию-3 исключительно высок. Так,
3Не является квантовой жидкостью, и это единственное вещество,
остающееся жидким при сверхнизких температурах, что позволяет
применять его при создании конденсационных термометров,
измеряющих температуры меньше 1°К. Также эффект Померанчука
позволяет использовать 3Не для получения сверхнизких температур
менее 0,01 °К [53]. Однако исключительно важно, что 3Не является
перспективным топливом для термоядерной практически чистой
138
реакции синтеза 3He(d, р) 4Не, имеющей минимальный нейтронный
поток. Подчеркнем, что наиболее просто достижимая реакция синтеза
3He(d,n) 4Не дает интенсивный поток нейтронов, имеющий 80% от
энергии реакции, и при длительной работе мощного термоядерного
двигателя это приводит к чудовищным нейтронным потокам на
элементы двигателя и самого КА, что абсолютно недопустимо.
Поэтому для перспективных мощных двигателей допустимы лишь
чистые термоядерные реакции, в том числе на гелии-3, что позволяет
использовать магнитные поля для отражения образующейся плазмы,
Именно поэтому гелий-3 является наиболее перспективным топливом
в будущих термоядерных двигателях и, в частности, используется в
проекте термоядерной ракеты межзвездного КА «Dedal» [51].
Именно эти вышеизложенные факторы делают перспективным
применение станций для сбора солнечной плазмы, прежде всего для
выделения изотопов гелия-3 и трития, причем эти дорогостоящие
изотопы экономически выгодно доставлять из космоса и на Землю. В
качестве станции используется магнитный диффузор с
дополнительным модулем для сбора изотопов согласно разделу 5.5 (и
аналогична станции на лунной базе по разделу 7.1). При этом за 11-
летний цикл солнечной активности станция обеспечит сбор до
100...2000 кг изотопа гелия-3 и до 100 кг трития. Значит, по
производительности получения гелия-3 одна такая станция
соответствует примерно 9... 10 блокам АЭС с мощностью по 1 млн кВт.
Такая станция с радиусом диффузора гм=1 км и радиусом захвата
плазмы гп=100 км, с массой 90... 100 т, размещенная на высокой
околоземной орбите радиусом 70... 100 тысяч км от Земли (вне
пределов магнитосферы Земли), или вокруг Луны, или на Луне
(согласно разделу 7.1), или вообще в качестве самостоятельного
небесного тела, летящего поблизости от Земли, позволит удовле-
творить нужды земной науки и активно изучать возможные научные и
технические области применения гелия-3.
Этот предложенный способ получения гелия-3 с созданием
станции для сбора солнечной плазмы является в настоящее время
практически единственным и реальным для современного уровня
техники. Такая станция вполне конкурентоспособна по
производительности и с возможным методом получения гелия-3 из
лунного грунта со сбором и нагревом многих тысяч тонн грунта в сутки
и получением в год до 40 кг гелия-3 [50]. Принципиально более
производительно получение гелия 3Не из атмосферы Юпитера, в
котором содержание гелия-3 примерно аналогично содержанию в
солнечной атмосфере [46], что позволяет получить практически
любые необходимые количества гелия-3. Однако при этом
загруженному КА необходимо преодолеть гравитационное поле
139
Юпитера и достичь второй космической скорости 60 км/с, что в
будущем, конечно, будет возможно, но не на современном уровне
техники. Однако в этом будущем станет возможно и создание системы
станций по сбору изотопов с мощными диффузорами на радиус
захвата гп=500...1000 км, причем помещаемые на орбиту Венеры или
даже Меркурия, что позволяет использовать солнечные частицы с
высокой концентрацией. Например, станция с гп=1000 км, помещенная
на расстоянии 45...50 млн км от Солнца (примерно орбита Меркурия),
позволит получать за 11-летний цикл солнечной активности до
100... 1000 т гелия-3. А система таких станций вполне удовлетворит
любые потребности человечества, в том числе и для ракеты «Dedal».
Вернемся к современному уровню техники и вполне реальной
сейчас станции с гп=100 км. Помимо гелия-3 и трития, станция
собирает и другие изотопы. Безусловно, нет смысла транспортировать
на Землю другие - дешевые изотопы - гелий-4, дейтерий, 1Н. Однако
они найдут применение для внутренних нужд станции в двигателях
системы ориентации и стабилизации, для коррекции орбиты. Кроме
того, гелий можно использовать и в системах охлаждения
низкотемпературных узлов станции, в том числе и в открытых
системах с последующим выбросом в космос. Перспективно и
накопление изотопа 1Н и 2Н на станции в отдельных емкостях, при
этом станция служит заправкой, на которую прибывают КА,
забирающие эти емкости с водородом, служащим топливом для
двигателей.
Разработка и изготовление станции для сбора изотопов вполне
осуществима на современном уровне техники за 5... 15 лет.
Изготовление отдельных систем станции производят на Земле, и
эти системы массой до 20...29 т выводятся на низкую околоземную
орбиту кораблями типа «Шаттл» или ракетами «Протон», для этого
нужно 4...5 запусков. Затем на этой орбите эти системы собираются,
стыкуются и уже в собранном виде транспортируются
межорбитальным буксиром, например, на основе существующего
российского ядерного двигателя (ЯРД) или связки таких двигателей.
При этом затраты рабочего тела - водорода до 80... 100 т, и с учетом
запуска для вывода на орбиту ЯРД и топлива для него необходимо
примерно 10 запусков для «Шаттл» или 12... 15 запусков «Протона»
(или всего 2 запуска «Бурана»). Рабочая высота орбиты станции -
70... 100 тыс.км над Землей. Стоимость вывода на высокую орбиту
станции в 100 т при себестоимости порядка 10000 долл./кг составит *1
млрд долл. Стоимость разработки и доводки конструкции,
изготовления самой станции также порядка 1 млрд долл. Стоимость
автоматического контроля работы систем станции, а также запуск
одного КА в год для взятия емкостей с изотопами, а также другие
140
работы по эксплуатации станции за 11 лет эксплуатации составят
порядка *1 млрд долл. Итого, первая станция для сбора изотопов
обойдется в ~3 млрд долл. А при существующих ценах на гелий-3
даже 1 т (за 11-летний цикл солнечной активности) стоит несколько
миллиардов долларов. Кроме того, станция используется и для
заправки КА накопленными изотопами водорода 1Н и 2Н, а также
гелием-4 общей массой порядка 100 т, а доставка 100 т с Земли при
цене 10000 долл./кг на орбиту станции обошлась бы в 11 млрд долл.,
что позволяет снизить затраты на запуск межпланетных КА за счет
дозаправки на такой станции. Таким образом, даже первая станция с
большими затратами на разработку, доводку конструкции и
отлаживание производства вполне окупит себя за срок эксплуатации
5... 11 лет. В дальнейшем же при вводе в эксплуатацию второй и
последующих станций с уже отработанной конструкцией и
технологией изготовления затраты падают, обеспечивая еще
большую окупаемость каждой станции. При создании же дешевого
межорбитального буксира затраты также соответственно снижаются и
экономическая эффек-тивность станций возрастает.
Итак, на современном уровне развития техники вполне возможно
создание станции по сбору изотопов солнечной плазмы, причем это
экономически достаточно выгодное предприятие, вполне способное
себя окупить за относительно небольшое время.
7.3 АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ
С ДВИГАТЕЛЕМ НА СОЛНЕЧНОЙ ПЛАЗМЕ
Интересным направлением использования энергии солнечной
плазмы является и создание автоматических КА с двигателями, схемы
которых описаны в главе 1, а конструкция базового варианта с
радиусом захвата спокойной солнечной плазмы гп=10 км подробно
рассмотрена в главе 2. Такой двигатель имеет относительно малую
силу тяги и ускорение КА и является конкурентом подобных же
двигателей малой тяги, таких, как электрические ракетные двигатели
(ЭРД) с ядерной энергоустановкой (ЯЭУ), солнечные паруса с
отражением электромагнитного излучения Солнца и т.п.
Базовый вариант с гп=10 км имеет идеальную силу тяги R=1,67
Н, и в зависимости от применяемого сверхпроводника и конструкции
системы охлаждения масса двигателя порядка 5400 кг для
сверхпроводника типа НТ-50 или порядка 2200 кг для
сверхпроводника типа NbN согласно разделу 2.8.
Приведем сравнение подобного базового двигателя с
идеальным ЭРД. Идеальная кинетическая энергия струи рабочего
тела равна
141
^ = mvY = R.Y,
2 2 2
(7.1)
где m - секундный расход рабочего тела ЭРД, истекающего со
скоростью V и создающего при этом силу тяги R. Отсюда для
реальной ЯЭУ типа «Топаз-2» с электрической мощностью 10 кВт и
массой порядка 1 т для получения идеальной силы тяги R=1,67 Н
необходимая скорость V=12 км/с, а секундный расход т=1,4-10-4 кг/с, и
при времени работы двигателя 1О7...3-1О7 с общий расход рабочего
тела равен 1,4...4,2 т. Таким образом, учитывая массу ЯЭУ, массу
систем самого ЭРД (типа электротермического) и расход рабочего
тела, такой идеальный ЭРД с ЯЭУ по своим массовым
характеристикам практически одинакового уровня с двигателем на
солнечной плазме. Конечно, в ЭРД можно повысить скорость
истечения при сохранении величины R=1,67 Н, однако при этом
повышается необходимая мощность ЯЭУ и ее масса (к тому же таких
мощных ЯЭУ пока нет), и общая масса такого двигателя останется на
одном уровне с двигателем на солнечной плазме.
Естественно, у каждого из этих двигателей есть свои
достоинства и недостатки. К крупным недостаткам двигателя на
солнечной плазме относится сильная зависимость ускорения КА от
параметров плазмы, особенно от плазмы после солнечных вспышек,
число и мощность которых трудно предсказать точно, а можно лишь
предполагать на основе статистического анализа. Так, согласно
разделу 3.2 воздействие плазмы от солнечной вспышки вызывает
увеличение силы тяги и ускорения КА до 21 раза, и за время
прохождения такой плазмы прирост скорости КА может достигать
нескольких сот метров в секунду. И за год ускорения от плазмы
десятков солнечных вспышек КА может получить больший прирост
скорости, чем от спокойного солнечного ветра. И динамика движения
такого КА очень сложна, поэтому такой КА можно посылать в какую-
либо область пространства или к планете, однако для точного
достижения какого-либо района у планеты необходимы сложные
маневры КА. В сущности, здесь КА - это аналог парусного судна в
земном океане, путь которого зависит от силы ветра и штормов. И с
этой точки зрения полет КА с ЭРД и ЯЭУ с постоянной силой тяги
более предсказуем, а его траекторию движения можно с высокой
точностью рассчитать хоть на месяцы вперед, что является большим
достоинством такого двигателя.
Однако у двигателя на солнечной плазме есть и свои
достоинства, в частности, это экологически чистое движение, а
главное - двигатель относительно дешев, что очень важно. Дело в
том, что сейчас исследовательские КА - это безвозвратные потери
142
конструкций и узлов, прежде всего дорогостоящих двигателей,
особенно ЯЭУ, так как на Землю они не возвращаются и повторно не
используются. И в этом одна из главных причин, почему, несмотря на
массу проектов КА с ЭРД и ЯЭУ, до сих пор все полеты даже
межпланетных КА совершаются с относительно дешевыми
химическими двигателями. ЯЭУ - это, безусловно, сгусток высоких
технологий в области ядерной техники, но сгусток весьма
дорогостоящий. И использование двигателей на солнечной плазме
позволяет создавать вполне дешевые двигатели для межпланетных
КА. Например, цена готового кабеля из сверхпроводника типа Nb3Sn
равна 2-10Р долл./м3, а для керамики YBaCuO имеем стоимость 1,2-10®
долл./м3 [52.]. Для базового варианта двигателя с гп=10 км масса
аналогичного сверхпроводника типа НТ-50 равна *762 кг (согласно
таблице 2.4), что дает стоимость *230 тыс.долл. Примерно столько же
стоят и 64 кг (согласно таблице 2.5) более дорогого сверхпроводника
типа NbN. Стоимость постоянных магнитов системы отражения
плазмы 100...200 долл./кг, что для массы магнитов в 460 кг (согласно
таблице 2.4) дает стоимость 46...92 тыс.долл. А это самые
дорогостоящие элементы двигателя, и общая стоимость всех
материалов узлов двигателя не превышает 400...500 тыс.долл. США.
И та же ЯЭУ «Топаз-2» с ядерным топливом в десятки
килограммов стоит многие миллионы долларов. Поэтому при
серийном выпуске отработанных конструкций двигателей на
солнечной плазме их изготовление обойдется в 3...5 млн долл, (в
условиях России еще дешевле), что в 5...20 раз меньше стоимости
аналогичного по силе тяги ЭРД с ЯЭУ. А это делает вполне
перспективным опытно-конструкторскую разработку и
экспериментальную отработку подобных двигателей на солнечной
плазме с целью последующего серийного изготовления и установки на
автоматические КА, отправляемые к планетам или для исследования
областей межпланетного пространства.
Теперь сравним двигатель на солнечной плазме с двигателем в
виде парусов, отражающих давление солнечного света,
электромагнитного излучения. Давление солнечного излучения для
идеально отражающих парусов равно *8-10'® Н/м2, следовательно, для
идеального двигателя с силой тяги R=1,67 Н необходимая площадь
парусов равна 2-105м2, или, например, прямоугольник 400 х 500 м х м.
При этом для получения массы паруса *2 т, помимо массы 1...2 т на
силовые элементы каркаса паруса, необходимая поверхностная
плотность паруса составляет 0,01 кг/м2, что для алюминиевой фольги
требует толщину *3,7-10“® м = 3,7 мкм. В принципе, конечно, возможно
изготовление такого габаритного паруса из такой тонкой фольги, хотя
это и будет очень сложно технологически. Однако ясно, что эти
143
параметры паруса находятся на пределе уровня современной
техники, поэтому даже не приходится и говорить о получении столь
габаритных и еще более легких парусов, не говоря уж о массе
силового каркаса столь габаритной и парусной конструкции. Поэтому
сейчас нет и вряд ли появятся конструкции парусов, которые имели
бы преимущество перед двигателями на солнечной плазме.
Итак, рассматриваемый двигатель на солнечной плазме вполне
конкурентоспособен и при сравнении с двигателями малой тяги других
типов, будь то ЭРД с ЯЭУ или солнечные паруса.
При этом сам КА включает полезную нагрузку массой 1...2 т,
состыкованную с двигателем на солнечной плазме массой -5400 кг
для сверхпроводника типа НТ-50 или массой -2200 кг для
сверхпроводника типа NbN или NbN0,7C0,3. Идеальная сила тяги
двигателя на солнечной плазме R=1,67 Н, однако реальная сила тяги
из-за потерь энергии и изменения параметров солнечного ветра
составит до 1... 1,6 Н. При такой тяге ускорение КА достигает (2...7)-10"
4 м/с2, что за 1 год ускорения обеспечит идеальный прирост скорости
КА в 6...21 км/с (для плотности плазмы на орбите Земли). А учитывая
дополнительное ускорение от плазмы после солнечных вспышек,
идеальный прирост скорости достигнет 10...35 км/с, что, в частности,
практически недостижимо для химических двигателей. Сам старт КА с
двигателем на солнечной плазме осуществляется после выхода за
пределы магнитосферы Земли, на околоземной орбите высотой
70...80 тыс.км или на вытянутой эллиптической орбите, на которой
основную часть времени КА проводит за пределами магнитосферы
Земли.
Подчеркнем, что благодаря использованию энергии солнечной
плазмы и отсутствию расходуемых запасов рабочего тела для
двигателей КА такой КА позволяет осуществлять перелеты между
планетами с их исследованием (без посадок на них) и возвратом на
Землю, ограничиваемые лишь получаемым приростом скорости.
Например, нет принципиальных ограничений для полета к Венере с
помощью достаточно сложных маневров КА, а затем исследований
Венеры с орбиты вокруг нее и возвращения КА к Земле. Более того,
нет принципиальных ограничений и на более сложный полет к
Меркурию, при этом после окончания исследований с орбиты,
воспользовавшись мощным потоком плазмы после крупной солнечной
вспышки балла 2...3, такой КА сильным рывком уйдет от Меркурия к
Земле.
Отметим, что солнечные частицы остывают на пути к Земле, а
ближе к Солнцу частицы имеют более высокую энергию, температуру,
поэтому на орбите Венеры и особенно Меркурия резко возрастает
эффективность даже простейшего термоядерного двигателя на
144
основе пленки при взаимодействии с солнечными частицами,
рассмотренного в разделе 6.3. Более того, можно с достаточной
уверенностью говорить о полной реальности такого термоядерного
двигателя. И именно это в сочетании с мощным потоком частиц после
солнечной вспышки и позволяет КА мощным рывком уйти от Меркурия
к Земле. Причем такой процесс реально организовать и для базового
варианта двигателя с гп=10 км, что увеличивает идеальный прирост
скорости КА при движении на орбите Венеры или Меркурия, поставив
вне конкуренции по эффективности именно двигатель на солнечной
плазме (по сравнению с другими типами двигателей) и добавочными
термоядерными реакциями в пространстве между Меркурием и
Землей.
Итак, автоматические исследовательские КА с двигателем на
солнечной плазме рационально использовать в диапазоне от
Меркурия до Марса, при этом достаточно высокая плотность плазмы
позволяет уверенно проводить маневрирование КА, вплоть до
обеспечения выхода КА на орбиту вокруг планет. Однако такие КА
могут также разгоняться в области между Землей и Марсом и
направляться к далеким планетам с целью пролета мимо них, с
весьма ограниченной возможностью маневрирования из-за малой
плотности плазмы.
В дальнейшем перспективен и грузовой КА, с использованием
двигателя с гп=100 км (как для станции по сбору изотопов или
разгоняющей станции). При этом масса двигателя КА не превышает
100 т, а масса полезной нагрузки и конструкции КА, например, также
100 т, при общей массе КА 200 т. При гп=100 км идеальная сила тяги.
S=167,6 Н, или в реальности до 100... 160 Н. При этом ускорение КА
достигает (5...8)-10'4 м/с2 , что за *1 год ускорения обеспечит прирост
скорости в 15...24 км/с (для плотности плазмы на орбите Земли). А
учитывая дополнительное ускорение КА от плазмы солнечных
вспышек, годовой прирост скорости до 20...35 км/с. Это позволяет
использовать такой КА для доставки грузов, например, на Луну,
Венеру или Марс, для марсианской экспедиции или базы.
Отметим, что для таких тяжелых КА принципиально вполне
возможен и пилотируемый людьми вариант КА.
Предельным вариантом полета автоматического исследо-
вательского невозвращаемого КА является старт из области вблизи
Солнца примерно на орбите Меркурия. Для старта используют серию
вспышек, включая вспышку класса 3 или 4. Тогда при ускорении КА
общей массой 100 т и общем времени ускорения от серии вспышек
*10 ч прирост скорости до 180 км/с. В дальнейшем, при
использовании еще более совершенных материалов и конструкций,
вполне достижим и уровень гп~1000 км/с, что позволит КА достичь
145
скорости 1000 км/с и более от серии солнечных вспышек. При
использовании даже простейшего термоядерного двигателя на основе
пленки при взаимодействии с солнечными частицами возможен и еще
больший прирост скорости КА. Конечно, учитывая относительную
редкость солнечных вспышек, число таких исследовательских КА не
может превышать 2... 10 штук в год, что вполне достаточно для
ближайшего будущего космонавтики.
Таким образом, рассматриваемый двигатель на солнечной
плазме вполне найдет применение в космической технике для
обеспечения полетов автоматических КА, займет свою нишу среди
двигателей.
7.4 РАЗГОНЯЮЩАЯ СТАНЦИЯ
Представляет интерес и создание разгоняющей станции на
солнечной плазме, схемы и возможности которой подробно
рассмотрены в главе 4. Трудно сказать, имеет ли сейчас смысл
создание специальной и только разгоняющей станции (скорее всего,
сейчас - нет), однако несомненно, что такая станция весьма
перспективна в связке со станцией для сбора изотопов по разделам
7.1 и 7.2, а также для лунной базы с мощным диффузором. При этом
станция для сбора изотопов дополнительно снабжается лишь
блоками направляющего магнита и второй системой магнитов
концентрации плазмы согласно схеме на рис.4.3. При этом для
рассматриваемого магнитного диффузора с радиусом захвата гп=100
км согласно оценкам раздела 4.3 масса системы магнитов порядка 10
т, направляющего магнита - 2 т, то есть всего 12 т, а с учетом
вспомогательных дополнительных устройств по перемещению
направляющего магнита и других узлов общая масса порядка 15 т.
Таким образом, к массе станции для сбора изотопов необходимо
добавить блоки массой 15 т, которые значительно расширяют
возможности подобной станции, позволяя работать ей в режиме
разгона КА, стать разгоняющей станцией. А по окончании разгона КА
станция снова переходит в режим сбора изотопов, перейдя к схеме
станции согласно рис. 5.1. и описанию перехода в разделе 5.5.
Сама станция находится где угодно, будь то орбита вокруг
Земли или вокруг Луны, или на самой Луне, или вообще на
произвольной орбите движения вокруг Солнца (куда ее доставят, там
она и будет работать по ускорению КА).
Повторим, как и в разделе 5.1, что для разгоняющей станции в
режиме ускорения КА в интенсивном и высокоэффективном режимах
практически вся плазма отражается от магнитного поля КА и
возвращается в поле диффузора разгоняющей станции. При этом
происходит захват и накопление остывающей плазмы в поле
146
диффузора, которая в основном может быть собрана после окончания
ускорения КА и установки вместо направляющего магнита модуля для
сбора изотопов (естественно, при условии быстрой замены). Конечно,
такое совмещение функций у одной станции и возможности работы в
двух режимах - накопления изотопов и ускорения КА - накладывает
некоторые ограничения на работу станции. Например, недопустимо
ускорение КА во время приема частиц от вспышек, богатых гелием-3,
во избежание даже малых потерь такого дорогого изотопа. Однако
такие вспышки достаточно редки, причем практически все они 1 балл,
а для ускорения КА перспективнее более мощные вспышки 2...3
балла (не пренебрегая, конечно, и обычными вспышками 1 балл). То
есть необходимо контролировать состав изотопов, поступающих в
центральную область по оси диффузора. Другое ограничение связано
с месторасположением станции во время движения потока солнечных
частиц после вспышки. Причем даже с этими ограничениями число
вспышек 1...3 балла и потоков частиц от них достигает десятков в год,
то есть в худшем случае подобная разгоняющая станция в год ускорит
до 5... 10 тяжелых КА с массой до 5 т, что более чем достаточно для
современного уровня космических исследований.
Для легких исследовательских КА массой 500 кг, направляемых
в межпланетное пространство, прирост скорости 3,6 км/с
обеспечивает режим работы станции даже при спокойном солнечном
ветре. И теоретически, для варианта постоянной работы станции в
режиме ускорения она может ускорить в год до 100...200 штук КА
(весь вопрос в необходимости такого режима). Перспективно и
ускорение легких исследовательских КА к дальним планетам с
помощью плазмы от солнечных вспышек, при этом достижим прирост
скорости более 10 км/с. И, естественно, возможны КА и с другими,
промежуточными массами, например, для КА массой 2 т прирост
скорости составит до 6 км/с.
Главные достоинства подобной разгоняющей станции:
— быстрый разгон КА, практически не уступающий разгону КА с
химическими двигателями;
— КА ускоряется в нужном направлении, и его скорость легко
контролируется, и после достижения требуемой скорости разгон
просто прекращается, и далее КА летит по инерции;
— предельная дешевизна магнитного воспринимающего устрой-
ства КА, что очень важно для невозвращаемых исследовательских КА
и важно для грузовых транспортных КА. Действительно, согласно
разделу 4.2 магнитное воспринимающее устройство КА - это
принципиально тот же магнитный двигатель с радиусом захвата
свободной солнечной плазмы гп=2,16 км. А для него самые дорогие
элементы - сверхпроводящий кабель НТ-50 массой 76 кг или
147
сверхпроводник типа NbN массой 7 кг, а также постоянные магниты
системы отражения массой 46 кг. И, воспользовавшись данными по
стоимости из раздела 7.3, получаем стоимость этих основных
элементов 25...30 тысяч долл. И даже с учетом других узлов и
стоимости изготовления такое воспринимающее устройство будет
стоить при серийном изготовлении порядка 1 млн долл., не уступая
даже химическим двигателям, не говоря уж о дорогостоящих ЭРД с
ЯЭУ. При этом возникает экономия и на транспортных расходах
топлива для химических двигателей. Например, для полезной
нагрузки КА в 1 т необходимая масса химического двигателя и
топлива для него составит порядка 5 т для обеспечения прироста
скорости КА до 5...6 км/с. А при использовании разгоняющей станции
необходимая масса КА составит 2 т, из них 1т- полезная нагрузка и 1
т - все остальные системы. При этом разница в весе таких КА равна 4
т, которые не надо выводить на высокую орбиту, и при стоимости
10000 долл./кг это дает экономию 40 млн долл. Таким образом, при
ускорении разгоняющей станцией порядка 10 КА массой 2 т
возникающая экономия вполне компенсирует затраты на разработку,
отработку конструкции и изготовление блоков разгоняющей станции
(именно блоков, а не диффузора), а также их вывод на орбиту.
Интересной является связка из двух разгоняющих станций, одна
из которых находится на орбите вокруг Земли, а другая - на Луне или
орбите вокруг Луны. При этом такие станции будут перегонять
грузовые КА между Землей и Луной. Причем в силу большой скорости
перелет между Луной и Землей займет 2...3 суток, и за один год всего
один грузовой КА сможет совершить десятки рейсов и перевезти
десятки тонн грузов, что просто недостижимо для ползущих месяцами
КА с ЭРД и ЯЭУ. Безусловно, необходима отработка элементов
станции и рабочего процесса ускорения с целью обеспечения
максимальной дальнобойности струи, что позволит диффузору с
гп=100 км и при спокойном солнечном ветре ускорять тяжелые КА.
Также возможен и переход на диффузор с увеличенным радиусом
гп~200 км, что также обеспечит ускорение на спокойном солнечном
ветре КА массой 2 т.
Подчеркнем, что принципиально разгоняющая станция - это
устройство для ускорения больших количеств КА, для массовых
грузовых перевозок. И параметры диффузора с радиусом гп
рассчитываются прежде всего на ускорение предполагаемых КА с
наиболее вероятной средней массой с помощью потока спокойного
солнечного ветра. В нынешних же условиях медленного и вялого
развития космической техники подобная разгоняющая станция может
найти применение лишь в сочетании со станцией для сбора изотопов
или лунной базой. Поэтому здесь и не ставилась задачи оценки
148
параметров разгоняющей станции для варианта массовых грузовых
перевозок между Луной и Землей или аналогичными проектами. И
диффузор с радиусом гп=100 км в данном случае служит лишь для
оценки возможностей ускорения КА потоком солнечной плазмы от
разгоняющей станции рассматриваемой конструкции. В будущем,
возможно, появятся и другие конструкции разгоняющей станции,
которые позволят с большей эффективностью использовать энергию
солнечной плазмы ( прежде всего за счет увеличения дальнобойности
струи).
Итак, с помощью разгоняющей станции возможен разгон КА с
большим ускорением, причем за счет использования энергии
солнечной плазмы, поэтому здесь не требуется мощный источник
энергопитания. И принципиально такие станции могут обеспечить
массовые грузовые перевозки с минимальными экономическими
затратами, а в сочетании со станцией для сбора изотопов возможно
применение разгоняющей станции с достаточно высокой
экономической эффективностью и для небольшого количества
запусков КА, характерных для нынешнего уровня развития
космонавтики.
149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, оценивая в целом возможности использования солнечной
плазмы и ее энергии, можно отметить следующее:
— использование различных устройств для создания силы тяги
обеспечивает широкий диапазон величины ускорения КА;
— двигатели на солнечной плазме относительно дешевы;
— получение различных изотопов из плазмы вполне реально;
— использование солнечной плазмы и ее энергии является
экологически чистым процессом, не загрязняющим космическое
пространство.
Конечно, как и любые технологические процессы и устройства
для их реализации, использование солнечной плазмы помимо
достоинств имеет и недостатки, порой весьма существенные. Однако
в целом использование солнечной плазмы и ее энергии является
перспективным направлением в развивающейся космонавтике.
150
ЛИТЕРАТУРА
1. Инженерный справочник по космической технике И Алатырцев
А.А., Алексеев А.И., Байков М.А. и др. М.: Воениздат, 1977. - 430 с.
2. Физика космоса. Маленькая энциклопедия /А.М.Прохоров,
И.В.Абашидзе, П.А.Азимов и др. М.: Советская энциклопедия, 1986.-
783с.
3. Коваленко В.А. Солнечный ветер. М,: Наука, 1983. - 272 с.
4. Яворский Б.М., А.А, Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука,
1977. - 942 с.
5. Бурдаков В.П. Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и
космонавтика. М.: Атомиздат, 1976. - 552 с.
6. Горбацкий В.Г. Космическая газодинамика. М.: Наука, 1977.-
360с.
7. Алиевский Б.Л., Орлов В.Л. Расчет параметров магнитных
полей осесимметричных катушек. Справочник. М.: Энергоатомиздат,
1983. - 112 с.
8. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц
в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1978. - 224 с.
9. Геккер И.К. Взаимодействие сильных электромагнитных полей
с плазмой, М.: Атомиздат, 1978. - 312 с.
10. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Часть 2.
М.: Мир, 1975.-512 с.
11. Пудовкин М.Н., Семенов В.С. Теория пересоединения и
взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли. М.: Наука,
1985.-126 с.
12. Колесников Е.К., Филиппов В.В. Некоторые задачи эволюции
заряженных частиц в поле магнитного диполя. Л.: ЛГУ, 1974. - 73 с.
13. Труханов К.А., Рябова Т.Я., Морозов Д.Х. Активная защита
космических кораблей. М.: Атомиздат, 1970. - 232 с.
14. Жуков А.А, Мощалков В.В. Критическая плотность тока в
высокотемпературных сверхпроводниках /Обзор И Сверхпроводи-
мость: физика, химия, техника. Том 4, № 5, май 1991, с.850-887.
15. Плакида Н.М. Высокотемпературные сверхпроводники. М.:
Физматлит, 1993. - 288 с.
16. Конструкционные материалы: Справочник / Арзамасов Б.Н.,
Брострем В.А., Буше Н.А. и др. М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.
17. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных
сверхпроводников. М.: Наука, 1987. - 240 с.
18. Композитные сверхпроводящие материалы волокнистого
строения /Башилов В.А., Близнюк В.А., Киянский И.А., Сухарев М.М.
М.: Металлургия, 1986. -136 с.
151
19. Малков М. П., Данилов И.Б. Зельдович, А.Г. Фрадков А..Б.
Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.:
Энергоатомиздат, 1985. - 432 с.
20. Электротехнический справочник. Том 1 / Грудинский П.Г.,
Петров Г.Н., Соколов М.М. и др. М.: Энергия, 1971. - 880 с.
21. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства
материалов при низких температурах. Справочник. М.:
Машиностроение, 1980. - 224 с.
22. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-
космической технике /В.С.Авдуевский, Б.М.Галицейский, Г.А.Глебов и
др. М.: Машиностроение, 1975. - 624 с.
23. Физические величины: Справочник / Бабичев А.П.,
Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. -
1232 с.
24. Околотин В.С. Сверхзадача для сверхпроводников. М.:
Знание, 1983. - 200 с.
25. РЖ «Ракетостроение и космическая техника», 1991, №12,
сообщение 12.41.169. Криостат для охлаждения зеркала и
чувствительных элементов датчиков ИК-телескопа на
исследовательском ИСЗ ISO.
26. РЖ «Ракетостроение и космическая техника», 1990, №7,
сообщение 7.41.198. Криогенная система охлаждения комплекса
ASTROMAG для долговременной ОКС.
27. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность
деталей машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.
28. Постоянные магниты. Справочник / Альтман А. Б.,
Берниковский Э.Е., Герберг А.Н. и др. М.: Энергия, 1980. - 486 с.
29. Высокоэнергетические постоянные магниты и их применение
в электромеханике. Труды ВНИИЭМ, т. 85. М.: 1987. -168 с.
30. Долинский Ф.В., Михайлов М.Н. Краткий курс сопротивления
материалов. М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.
31. Солнечные вспышки /Алтынцев А.Т., Банин В.Г., Куклин Г.В.,
Томозов В.М. М.: Наука, 1982. - 221 с.
32. Азовский Ю.С. и др. О движении плазменных сгустков в
свободном от полей пространстве. В кн.: «Исследование плазменных
сгустков /Сборник статей/. Киев: Наукова Думка, 1965, с. 203-211.
33. Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. М.:
Наука. 1981. -144 с.
34. Сверхпроводящие материалы / Савицкий Е.М., Ефимов Ю.В.,
Козлова Н.Д. и др. М.: Металлургия, 1976. - 296 с.
35. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические
проблемы использования сверхпроводимости. Л.: Наука, 1980. - 256 с.
152
36. Патент России № 999839 «Способ получения изотопов гелия-
3 и трития»/ Солодов Б.М. Приоритет изобретения - 7 мая 1981 г.,
патент с 1 октября 1994 г.
37. Афанасьева В.И., Евдокимова Л.В. Повышение содержания
а-частиц в плазме солнечного ветра и направление межпланетного
магнитного поля. В кн.: «Солнечная плазма и геомагнитные
возмущения»: сборник научных трудов /Отв. ред. Шевнин А.Д. М.:
ИЗМИРАН. 1989, - с. 13-16.
38. Кочаров Г. Е. Ядерные реакции на Солнце. М.: Знание, 1976.-
64 с.
39. Колчин А.А., Лебедев В.В., Левченко В.Ф. и др. Результаты
исследования космических лучей малых энергий в эксперименте
АЯКС на «Прогнозе-4» и «Прогнозе-6». В кн.: «Исследования
солнечной активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука,
1984,-с. 168-185.
40. Логачев Ю.И. Изучение солнечных космических лучей на
станциях серии «Прогноз». В кн.: «Исследования солнечной
активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984, - с. 97-
117.
41. Северный А.Б. Степанян Н.Н. Солнечные вспышки. М.:
Знание, 1976. -64 с.
42. Вайсберг О.Л., Ермолаев Ю.И., Застенкер Г.Н., Омельченко
А.Н. Потоки тяжелых ионов в солнечном ветре и их использование
для диагностики солнечной короны. В кн.: «Исследования солнечной
активности и космическая система «Прогноз». М.: Наука, 1984. -
с. 73-80.
43. Фастовский В.Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю.В. Инертные
газы. М.: Атомиздат, 1972. - 352 с.
44. Вакуумная техника: Справочник / Фролов Е.С., Минайчев
В.Е., Александрова А.Т. и др. М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.
45. РЖ «Ракетостроение», 1980, №11, сообщение 11.41.103.
Космические корабли с ЯРД для полетов в Солнечной системе.
46. Ермолаев Ю.И. Наблюдения ионов 4Не++ в солнечном ветре
//Космические исследования, т.32, 1994, вып. 1, с.93-124.
47. Физический энциклопедический словарь /Гл. ред. Прохоров
А.М.; Алексеев Д.А., Бонч-Бруевич А.М., Боровик-Романов А.С. и др.
М.: Советская энциклопедия, 1983. - 928 с.
48. Михайлов Б.М. Химия бороводородов. М.: Наука, 1967. -
519 с.
49. РЖ «Ракетостроение и космическая техника», № 7, 1995;
сообщение 7.41.61 «Критический обзор применимости КА,
использующих для движения взаимодействия с солнечным ветром».
50. Шевченко В.В. Лунная база. М.: Знание, 1991. - 64 с.
153
51. Чекалин С.В. Космос: завтрашние заботы. М.: Знание, 1992.-
208 с.
52. Пеппель Р.Б., Флэндермайер Б. К., Дыосек Дж., Блум И.Д.
Получение готовых изделий из сверхпроводящей керамики
УВагСиэО?. В кн.: «Высокотемпературные сверхпроводники». М.: Мир,
1988. - 400 с.
53. Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: Наука,
1978.-190 с.
54. Финкельштейн Д.Н. Инертные газы. М.: Наука, 1979. - 200 с.
55. РЖ «Ракетостроение и космическая техника», № 11, 1996,
сообщение 11.41.92 «Концепция магнитного паруса дня лунных КА».
56. Афанасьев И. Плавание под солнечным парусом. Новости
космонавтики, 1999 г., том 9, №12, с. 36.
57. Заявка № 3226031/23 от 31.10.1980 г,. Солодов Б.М. «Способ
ускорения КА потоком солнечной энергии».
58. Заявка № 3535869/25 от 07.02.1983 г., Солодов Б.М.,
«Способ ускорения КА солнечной плазмой».
59. Заявка № 3710177/23 от 11.03.1984 г., Солодов Б.М. «Способ
ускорения КА солнечной плазмой и устройство для его реализации».
60. Заявка № 3554890/25 от 21.02.1983 г., Солодов Б.М. «Способ
ускорения КА потоком солнечной плазмы».
61. Заявка № 3492911/25 от I5.09.I982 г., Солодов Б.М. «Способ
ускорения КА и устройство для его реализации»
62. Заявка № 3294238/25 от 25.05.1981 г., Солодов Б.М. «Способ
создания силы тяги при термоядерном взрыве».
154
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...................................................3
Глава 1. Физические основы и схемы ускорения космических
аппаратов солнечным ветром.................................5
1.1. Двигатель с непосредственным отрчажением солнечного ветра .. 5
1.2. Двигатель с захватом плазмы и ее отражением от диффузора 8
1.3. Оценка взаимодействия солнечной плазмы с полем
диффузора.................................................14
1.4. Двигатель с захватом плазмы и ее отражением и истечением
сконцентрированной струёй.................................29
1.5. Оценка взаимодействия солнечной плазмы с полем системы
магнитов и направляющего магнита..........................36
1.6 Динамика силы тяги двигателя на плазме солнечного ветра.41
Г л а в а 2. Двигатель на солнечной плазме и его элементы...44
2.1. Выбор сверхпроводящего материала диффузора...........44
2.2. Параметры диффузора..................................47
2.3. Теплозащита диффузора................................54
2.4. Прочность витков диффузора...........................60
2.5. Параметры отражающей системы магнитов............... 62
2.6. Развертывание систем двигателя и КА..................74
2.7. Источник энергопитания...............................79
2.8. Массовая сводка систем КА............................80
2.9. Идеальное ускорение КА...............................84
Г л а в а 3. Плазма солнечных вспышек и ее потенциальное
использование для ускорения космических аппаратов.........87
3.1. Общие сведения.........................................87
3.2. Движение КА в плазме от солнечной вспышки............89
Г л а в а 4. Схемы и возможности ускорения космического аппарата
разгоняющей станцией на солнечной плазме..................93
4.1. Общие схемы..........................................93
4.2. Этапы ускорения КА потоком солнечной плазмы..........98
4.3. Разгоняющая станция ................................106
Г л а в а 5. Солнечная плазма как источник изотопов......111
5.1. Получение изотопа водорода 1Н.......................111
5.2. Получение изотопа гелия 4Не.........................112
5.3. Получение изотопа гелия 3Не.........................111
5.4. Другие изотопы .....................................113
5.5. Модуль для сбора изотопов...........................114
155
Г л а в a 6. Перспективные схемы двигателей с использованием
термоядерных реакций и солнечной плазмы..................118
6.1. Схема термоядерного двигателя с добавкой массы солнечной
плазмы...................................................118
6.2. Схема термоядерного двигателя с дожиганием в солнечной
плазме...................................................122
6.3. Схемы термоядерного двигателя с использованием
солнечной плазмы.........................................124
Г л а в а 7. Перспективные проекты.......................133
7.1. Лунная база.........................................133
7.2. Станция по сбору изотопов...........................138
7.3. Автоматический космический аппарат с двигателем на
солнечной плазме.........................................141
7.4. Разгоняющая станция.................................146
Заключение...............................................150
Список литературы........................................151
156