Проект космического корабля на электромагнитных полях

АННОТАЦИЯ

Представлено конструктивное решение по построению космического корабля, движущегося с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики с ускорением. Проведен рассчет необходимой силы тока по контуру и величины заряда на полезной поверхности оъекта для получения ускорения в 1g в произвольном направлении в пространстве. Представлены расчеты для различной величины индукции магнитного поля в зависимости от нахождения корабля на орбите Земли, внутри Солнечной системы или за ее пределами. Рассчитана конечная скорость корабля при ускорении в 1g через сутки и полгода при нулевой начальной скорости. Представлены чертежи конструкции двигателей, позволяющих данному космическому кораблю свободно перемещаться в космическом пространстве в произвольном направлении с требуемым ускорением. Произведен расчет массы космонавта, находящегося в корабле, при скорости, равной половине световой, в соответствии с теорией относительности Альберта Эйнштейна. Представлен сравнительный анализ данного космического корабля с современными космическими кораблями, использующими ядерный ракетный двигатель (ЯРД), а также высчитана масса топлива, теоретически необходимая кораблю с ЯРД для выхода на скорость, равную половине световой.

ABSTRACT

A constructive solution for the patterning of a spacecraft to move with acceleration resting upon electromagnetic fields of the Solar system and Galaxy is submitted. Calculations of the current intensity by circuit and value of the charge at the effective surface of the object necessary for reaching 1g acceleration by it at random direction in the space were fulfilled. Calculations for various magnetic field induction values depending on the craft being at Earth orbit, within the Solar system or beyond the latter are submitted. Eventual spacecraft's speed values after a day and half a year at nil initial sped were calculated. Drawings of the engines to allow this spacecraft moving freely within the outer space at random direction with required acceleration are submitted. Calculation of an astronaut's mass who is inside the craft at speed equal to half that of light was done according to Einstein's theory of relativity. Comparative analysis of this spacecraft and up-to-date ones equipped with nuclear rocket engines (NREs) is submitted and mass of the fuel required theoretically for reaching the spacecraft equipped with NRE speed equal to half that of light is calculated.

Тема межзвездных перелетов остается актуальной с учетом ограниченности земных ресурсов, перенаселенности планеты, демографических, социополитических и экологических проблем на планете. В данной статье представлено конструктивное решение по созданию космического корабля, движущегося с ускорением с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики. Ранее подобные конструкции приводились в работах Лемешко А.В. [4], Гайдука А.Н. [2; 5], однако не были представлены в рецензируемых научных журналах.

Метод решения

Как известно, Земля имеет магнитное поле с индукцией  (это усредненное значение, в разных местах планеты оно несколько отличается) [6]. Магнитное поле имеет также Солнце:  Солнечная система и Галактика (усредненное значение:  или ).

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

Пусть имеем некую дискообразную радиомодель звездолета массой 0.1 кг и полезным диаметром контура 0.1 м.

Расположим проводник с током по контуру (рис. 1):

Рисунок 1. Конструкция корабля, позволяющая получить подъемную силу Лоренца

На рис. 1:

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

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

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

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

Сила Лоренца [9]:  – сила Ньютона (гравитации).

Отсюда: 

Для вертикального ускорения в , соответственно, должна быть сила тока  .

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

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

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

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

, или 10 миллиардов Ампер.

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

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

При такой скорости масса космонавта, находящегося в корабле, будет равна [1]:

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

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

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

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

С другой стороны, создание потенциала («+» и «-» /свободные электроны/) на поверхности корабля может позволить получить ускорение в электрическом поле Галактики. Это поле исследовано крайне слабо, однако по тем измерениям, которые проводились в пределах нашей Солнечной системы, его напряженность колеблется от единиц до нескольких тысяч микровольт на метр [8]. Таким образом, конструкция на рисунке 2 позволит получить ускорение в направлении линий электрического поля в зону возрастания потенциала (свободные электроны на поверхности) или противоположную (положительный заряд на поверхности) (рис. 2):

Рисунок 2. Конструкция корабля, позволяющая получить ускорение в направлении градиента потенциала электрического поля

На рис. 2:

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

Ускорение в этом случае будет равно [3]:

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

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

Сравнительный анализ

Для сравнения рассмотрим космический корабль, использующий ядерный ракетный двигатель (ЯРД) с импульсом . Тогда скорость этой ракеты может быть рассчитана по формуле Циолковского [7]:

.

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

,  , .

Положив для круглого счета , получим:

.

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

Выводы

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