СИСТЕМА ДЛЯ ЗАПУСКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА СВЕРХПРОВОДНИКЕ И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B64G1/00 B61B13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области технической физики. Изобретение относится к движителям, использующим нескомпенсированную силу, действующую на сверхпроводник со стороны магнитного поля, возникающую вследствие применения магнитного экрана, прикрепленного к сверхпроводящей пластине с одной ее плоской стороны.

Уровень техники

Аналоги не обнаружены.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения - экономия топлива при запуске космического аппарата.

Разработана система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике, в основе которой лежит прикрепленное к внешней боковой поверхности космического аппарата устройство, фрагмент которого состоит из сверхпроводящей при комнатной температуре пластины малых размеров порядка нескольких сантиметров в ширину и длину, нормально расположенной по отношению к оси симметрии космического аппарата, с прикрепленным к ней вплотную с одной плоской ее стороны впереди по ходу движения при запуске космического аппарата магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, причем отдельные фрагменты параллельны между собой в каждом ряду с последовательным чередованием сверхпроводящих пластин и ферромагнитных листов и отстоят друг от друга на расстоянии, в несколько раз или на порядок превышающем толщину магнитного экрана; система содержит также прикрепленное к внутренней стенке шахты запуска устройство, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала в форме буквы «О» с прорезью (с зазором), нормально расположенной по отношению к оси симметрии шахты запуска, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами, при этом образуют ряды желобов для движения рядов пластин из сверхпроводника с магнитным экраном вдоль оси симметрии желоба в прорезях (в зазорах) буквы «О». Сверхпроводящие пластины с магнитным экраном крепятся к внешней боковой поверхности космического аппарата крепежом из слабомагнитного материала, чтобы не искажать магнитный поток в желобе. В качестве магнитного экрана может быть использован также лист из намагниченного вдоль плоскости листа материала постоянного магнита [1], причем оси намагничивания отдельных фрагментов параллельны между собой и направлены в одну сторону, в направлении магнитного поля желоба. Между сверхпроводящей пластиной и первым или дополнительным вторым магнитным экраном в одном фрагменте может быть выдержано минимальное расстояние, меньше или порядка толщины листа магнитного экрана. Желобы могут быть образованы прикрепленным к внутренней стенке шахты запуска устройством, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала в форме полосы, изогнутой по дуге окружности поперечного сечения космического аппарата, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами, а ряды отстоят друг от друга с промежутком для движения пластин из сверхпроводника с магнитным экраном, причем в каждом промежутке магнитные полюса соседних рядов противоположны. Вместо электромагнита может быть использован постоянный магнит. Также в системе со стороны магнитного экрана параллельно ему на расстоянии в несколько раз или на порядок меньшем, чем расстояние между сверхпроводящими пластинами, может быть расположен второй дополнительный магнитный экран, аналогичный первому, так как двойной магнитный экран намного эффективнее одинарного [2]. Вся система объединяется крепежом из слабомагнитного материала, чтобы не нарушать магнитный поток в межполюсном пространстве магнитов.

Разработан способ запуска космического аппарата на сверхпроводнике, состоящий в том, что система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и нормально к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба, поэтому за счет взаимодействия пластин из сверхпроводника с магнитным полем желоба возникает со стороны плоской поверхности сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, некомпенсированная сила действия на сверхпроводник со стороны неоднородного магнитного поля, проникающего на незначительную глубину в толщу сверхпроводника [3], и направленная от не защищенной магнитным экраном плоской поверхности сверхпроводника в сторону ослабления магнитного поля, то есть в сторону магнитного экрана, которая ускоряет систему из сверхпроводящих пластин с магнитным экраном и связанную жестко с ней конструкцию космического аппарата в этом направлении, причем внутреннее магнитное поле магнитного экрана из материала постоянного магнита ориентируется в одном направлении с магнитным полем в желобе. Причем в процессе запуска космического аппарата ускорение возникает сразу при своем заданном значении путем включения тока в обмотках электромагнитов при его заданном значении кратковременно. Причем ускорение регулируется электрической схемой [4], включающей в себя измеритель ускорения космического аппарата, которая увеличивает электрический ток через обмотку электромагнитов, если ускорение меньше заданной величины, и уменьшает электрический ток через обмотку электромагнитов, если ускорение больше заданной величины.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана пластина из сверхпроводника, обозначенная как 1, и прикрепленный к ней с одной ее плоской поверхности магнитный экран, обозначенный как 2.

На фиг.2 показано, как ориентируется в изображенных тонкими линиями силовых линиях магнитного поля электромагнита с сердечником в форме буквы «О» с прорезью (зазором) пластина из сверхпроводника 1 с магнитным экраном 2 для обеспечения нескомпенсированной силы , действующей на свободную от магнитного экрана плоскую поверхность сверхпроводника в направлении магнитного экрана.

На фиг.3 показано, как ориентируется в изображенных тонкими линиями силовых линиях магнитного поля электромагнита с сердечником в форме полосы пластина из сверхпроводника 1 с магнитным экраном 2 для обеспечения нескомпенсированной силы , действующей на свободную от магнитного экрана плоскую поверхность сверхпроводника в направлении магнитного экрана.

На фиг.4 показано, как регулируется ускорение системы для запуска космического аппарата на сверхпроводнике электрической схемой, где: 3 - измеритель на ускорение космического аппарата, развиваемого вверх, минус ускорение свободного падения; 4 - шунт, он же датчик обратной связи; 5 - электронный усилитель; 6 - элемент сравнения; 7 - обмотка электромагнита; 8 - значение ускорения, развиваемого вверх, минус ускорение свободного падения.

На обмотку электромагнита подается с элемента сравнения разность напряжений Δu между заданным напряжением u_зад и напряжением с электронного усилителя u_эу.

Поскольку расстояние между электромагнитами, образующими желоб для движения сверхпроводящих пластин с магнитным экраном, минимально, следовательно, движение сверхпроводящих пластин с магнитным экраном происходит в практически однородном, практически безградиентном магнитном поле, что соответствует замыслу изобретения.

Оценка возможности предлагаемого устройства и способа запуска космического аппарата состоит в оценке силы , действующей на сверхпроводник, помещенный в магнитное поле.

Сила, действующая на вещество, помещенное в магнитное поле, определяется следующим образом [5] в CGSM:

где f_x - величина силы, действующей на вещество в направлении x;

χ - величина объемной магнитной восприимчивости вещества;

ν - объем вещества;

Н - величина магнитного поля;

x - направление.

Поскольку магнитное поле выталкивается из сверхпроводника и поскольку глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник составляет 10^-5÷10^-6 (см. [3]), следовательно, на этой глубине возникает сравнительно высокий градиент магнитного поля ∂Н/∂х со стороны сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, обеспечивающий сравнительно высокую силу f_x, действующую на поверхность сверхпроводника, свободную от магнитного экрана. При этом сверхпроводник как идеальный диамагнетик выталкивается из области более сильного магнитного поля в сторону ослабления магнитного поля.

Параметры космического аппарата с системой ускорения на сверхпроводнике определяются из (1) следующим естественным образом в CGSM по формуле для определения ускорения космического аппарата:

где М - масса космического аппарата;

а - ускорения космического аппарата;

χ - величина объемной магнитной восприимчивости сверхпроводника;

H - величина магнитного поля;

S' - площадь сверхпроводящей пластины;

S - площадь основания космического аппарата;

N - число сверхпроводящих пластин.

Длина шахты для запуска космического аппарата рассчитывается следующим образом:

где L - длина шахты для запуска космического аппарата;

V - величина скорости космического аппарата на выходе из шахты;

а - величина ускорения космического аппарата в шахте.

Например, для пилотируемого космического аппарата формула (2), производная от формулы (1), дает при M/S=10³ г·см^-2 (10⁴ кг·м^-2)

N=10⁴

S=10⁵ см

S'=25 см²

H=3·10³ Э

χ=-1 CGSM

будет ≲25·10³ см·с^-2 (25·10 м·с^-2)

Тут нужно учесть, что эта цифра представлена с запасом на то, что реальное значение ускорения а будет меньше, так как в области проникновения магнитного поля в сверхпроводник абсолютная величина магнитной восприимчивости сверхпроводника уменьшается и величина магнитного поля уменьшается, и это обстоятельство вносит свои коррективы в оценочную формулу (2). Допустим, при выбранных параметрах или близких к ним будет достигнуто ускорение космического аппарата при запуске в a=3·10³ см·с^-2, тогда скорость запуска при глубине шахты запуска в L=10⁴ см составит из формулы (3) V=7·10³ см·с^-1 (70 мс^-1). Если выбрать глубину шахты больше, тогда и скорость запуска будет больше. Все сказанное будет относиться к пилотируемому запуску космического аппарата, а также к непилотируемому запуску космического аппарата при достижении им приемлемой для практики запусков скорости запуска космического аппарата.

Шахта для запуска космического аппарата с содержащимися в ней желобами из электромагнитов может быть от вертикального до горизонтального расположения.

Шахта для запуска космического аппарата может быть снабжена направляющими рельсами, а корпус космического аппарата - соответствующими полозьями или колесами, входящими в рельсы при движении космического аппарата в шахте, для исключения вибрации и уменьшения трения при ускорении для запуска космического аппарата в шахте.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. - один из фрагментов системы для запуска космического аппарата на сверхпроводнике.

Фиг.2. - способ запуска космического аппарата на сверхпроводнике в магнитном поле электромагнитов с сердечником в форме буквы «О» с прорезью (с зазором).

Фиг.3. - способ запуска космического аппарата на сверхпроводнике в магнитном поле электромагнитов с сердечником в форме полосы.

Фиг.4. - способ регулирования ускорения системы для запуска космического аппарата на сверхпроводнике с помощью электрической схемы.

Осуществление изобретения

Средство, реализующее данное устройство и способ, еще не создано. Но из приведенных в описании изобретения расчетов следует возможность его осуществления.

Использованная литература

[1] Под редакцией Дж.Киршвинка, Д.Джонса, Б.Мак-Фаддена, Биогенный магнетит и магниторецепция. М.: «Мир», 1989 г., т.1, с.271.

[2] Под редакцией Дж.Киршвинка, Д.Джонса, Б.Мак-Фаддена, Биогенный магнетит и магниторецепция. М.: Мир, 1989 г., т.1, с.264.

[3] Малая Советская Энциклопедия, Государственное научное издательство «Советская энциклопедия», издание третье, т.8, с.254-255.

[4] А.С.Клюев. Автоматическое регулирование. М.: Энергия, 1973 г., с.6-11.

[5] П.Селвуд. Магнетохимия, изд. ИЛ. М., 1958 г., с.13.

Изобретение относится к движителям. Устройство содержит сверхпроводящую при комнатной температуре пластину с прикрепленным к ней вплотную или на минимальном расстоянии с одной плоской ее стороны впереди или позади по ходу движения при запуске космического аппарата магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала, выполненный в форме буквы «О» с нормально расположенной по отношению к оси симметрии шахты запуска прорезью или выполненный в форме полосы. Способ заключается в том, что плоский сверхпроводник с магнитным экраном с одной его стороны, помещенный в межполюсной зазор-желоб электромагнита, ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и нормально к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба. Технический результат заключается в снижении расхода топлива при запуске космического аппарата. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике, фрагментом которой является прикрепленное крепежом из слабомагнитного материала к внешней боковой поверхности космического аппарата устройство, состоящее из нормально расположенной по отношению к оси симметрии космического аппарата сверхпроводящей при комнатной температуре пластины, с прикрепленным к ней вплотную или на минимальном расстоянии с одной плоской ее стороны впереди по ходу движения при запуске космического аппарата магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, превышающем на порядок толщину магнитного экрана, система содержит также прикрепленное к внутренней стенке шахты запуска космического аппарата устройство, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала, выполненный в форме буквы О с прорезью, нормально расположенной по отношению к оси симметрии шахты запуска, при этом отдельные фрагменты образуют ряды желобов в форме буквы О с прорезями для движения рядов пластин из сверхпроводника с магнитным экраном вдоль оси симметрии желоба, или выполненный в форме полосы, изогнутой по дуге окружности поперечного сечения космического аппарата, при этом ряды отстоят друг от друга с промежутком для движения пластин из сверхпроводника с магнитным экраном, причем в каждом промежутке магнитные полюса соседних рядов противоположны, при этом отдельные фрагменты в форме полосы или в форме буквы О отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами.

2. Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что в качестве магнитного экрана используется лист из намагниченного вдоль плоскости листа материала постоянного магнита, причем оси намагничивания отдельных фрагментов параллельны между собой и одинаково направлены в направлении магнитного поля желоба.

3. Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что со стороны магнитного экрана на расстоянии на порядок меньшем, чем расстояние между сверхпроводящими пластинами, расположен дополнительный магнитный экран.

4. Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между сверхпроводящей пластиной и магнитным экраном в одном фрагменте меньше или порядка толщины листа магнитного экрана.

5. Способ запуска космического аппарата на сверхпроводнике, состоящий в том, что система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике, включающая в себя в качестве фрагмента плоский сверхпроводник с магнитным экраном с одной его стороны, помещенный в межполюсной зазор электромагнита, ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и нормально к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба, поэтому за счет взаимодействия пластин из сверхпроводника с магнитным полем желоба возникает со стороны плоской поверхности сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, нескомпенсированная сила действия на сверхпроводник со стороны неоднородного магнитного поля, проникающего на незначительную глубину в толщу сверхпроводника, и направленная от незащищенной магнитным экраном плоской поверхности сверхпроводника в сторону ослабления магнитного поля, то есть в сторону магнитного экрана, которая ускоряет систему из сверхпроводящих пластин с магнитным экраном и связанную с ней жестко конструкцию космического аппарата в этом направлении, причем в процессе запуска космического аппарата ускорение возникает сразу при своем заданном значении путем включения тока в обмотках электромагнитов при его заданном значении кратковременно.

6. Способ запуска космического аппарата на сверхпроводнике по п.5, отличающийся тем, что ускорение космического аппарата регулируется электрической схемой, включающей в себя измеритель ускорения космического аппарата, которая увеличивает электрический ток через обмотку электромагнитов, если ускорение меньше заданной величины, и уменьшает электрический ток через обмотку электромагнитов, если ускорение больше заданной величины.