Устройство для получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов Российский патент 2018 года по МПК H02K99/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при освоении космического пространства.

Как известно в настоящее время для управления траекторией полета космического аппарата (КА) используются в основном двигатели, создающие необходимые для маневрирования движущие силы посредством сжигания химического топлива. Однако пополнение запаса этого топлива на аппарате, прежде всего в ходе длительного полета, стоит очень дорого, а иногда и неосуществимо, что сильно ограничивает возможности изменения траектории аппарата. Поэтому целесообразно искать новые способы управления траекторией КА, не имеющие этого недостатка, например, способы на основе получения импульса движущей силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, генерируемых, в частности, имеющейся на КА солнечной батареей.

Один из таких способов приведен в описании изобретения автора «Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов» [патент Российской Федерации RU 2579764 С1]. Этот способ основан на организации электромагнитного взаимодействия магнитного поля движущихся электрически заряженных тел с практически не имеющим внешнего магнитного поля электрическим тороидом с током, в результате которого суммарная сила взаимодействия, возникающая только на витках этого тороида, не равна нулю. При этом с помощью своевременного изменения направления тока в тороиде может быть обеспечено постоянное действие какой-либо из проекций этой силы на оси трехмерной системы координат и, соответственно, ее импульса в одном (заданном) направлении. Здесь в качестве движущихся заряженных тел используются движущиеся по окружности заряженные обкладки плоских электрических конденсаторов, электрически изолированные и разведенные друг от друга после их зарядки. Научные основания возможности использования именно такого взаимодействия для достижения поставленной цели изложены в описании указанного выше изобретения и в статье [Фортов В.В. Исследования способов расширения маневренных возможностей космических аппаратов. Ж. Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИмаш, №3, 2016].

Ниже приводится описание предлагаемого устройства для реализации указанного способа получения импульса силы, действующей в заданном направлении. На фиг. 1 и 2 приведены обозначения и показаны положения частей этого устройства в различные моменты времени его работы.

Так на фиг. 1 показаны стержни 1 с возможностью вращения с помощью электродвигателя вокруг оси 2, расположенной на корпусе космического аппарата. На этих стержнях находятся два плоских электрических конденсатора с обкладками 3 и 4, которые показаны в положении зарядки от какого-либо источника электроэнергии, в частности от солнечной батареи, имеющейся на космическом аппарате. Они расположены параллельно плоскости вращения стержней 1 и имеют возможность перемещения с помощью электроприводов параллельно оси 2, т.е. оси OZ, связанной с космическим аппаратом трехмерной системы координат и вдоль стержней 1. Расположение разноименных зарядов на этих обкладках, накапливаемых в процессе зарядки, показано кружочками с соответствующими знаками внутри. Там же показаны практически не имеющие внешнего магнитного поля отдельные обмотки кольцевых сердечников проводником с током, т.е. в данном случае электрические тороиды 5 из их последовательности, расположенной на космическом аппарате по всей окружности с центром, совпадающим с центром вращения стержней 1. Здесь эти тороиды 5 установлены таким образом, что их плоскости перпендикулярны плоскости вращения стержней 1, а центральные оси симметрии, перпендикулярные их плоскостям, проходят через ось вращения стержней 1 с обкладками 3 и 4.

Каждая обкладка конденсаторов, используемых для осуществления указанного выше взаимодействия, представляет собой незамкнутый проводник 6, выложенный на плоские диэлектрические основы 7. При этом участки проводника не касаются друг друга и не образуют замкнутых петель. Это сделано для ограничения миграции зарядов, находящихся на обкладках, по их поверхностям и ее негативного влияния на магнитные поля движущихся обкладок. Цифрой 8 помечены проводники, соединяющие солнечную батарею и обкладки конденсаторов при их зарядке.

На фиг. 2 изображена схема размещения заряженных обкладок 3 и 4, разведенных друг от друга и перемещенных с помощью электроприводов на концы стержней 1 после зарядки электрических конденсаторов. Т.е. здесь отражена картина взаимодействия обкладок 3 и 4 с тороидами 5 в процессе вращения стержней 1 с угловой скоростью со (угол поворота обозначен буквой β). При этом тороиды 5 находятся между движущимися заряженными обкладками в области их магнитного поля наибольшей напряженности. Пунктиром показаны отдельные линии магнитной индукции этих полей В.

На фиг. 3 приведены зависимости проекции силы электромагнитного взаимодействия, возникающей на витках одного тороида 5 при движении вблизи его заряженных обкладок 3, на ось OZ P_z и ее импульса Imp_z от величины Δβ. Здесь величиной Δβ измеряется угол поворота стержней 1 с обкладками 3 относительно середины тороида 5. Указанные зависимости получены с помощью компьютерной программы расчета, кратко охарактеризованной в статье [Фортов В.В. Некоторые особенности электромагнитного взаимодействия электрических контуров с током. Ж. РАН «Электричество», №6, 2005 г.] и использованной ранее при подготовке материалов заявки на указанный выше способ. Программа позволяет рассчитывать трехмерное магнитное поле, создаваемое проводником произвольной формы с током, и силы, действующие на проводник с током, помещенный в это поле. Она была досконально проверена на известных случаях взаимодействия, и получаемые с ее помощью результаты соответствовали всем положениям существующей теории электромагнетизма, и поэтому использована в данных расчетах.

Изображенные на фиг. 3 сплошными линиями типичные зависимости силы P_z и величины ее импульса Imp_z за время поворота стержней 1 с обкладками 3 вблизи тороида на определенный угол (в данном расчетном случае относительно тороида от Δβ=-15° до Δβ=+15°) показывают, что при постоянном направлении тока в тороиде 5 средняя величина этой силы и, соответственно, ее импульс равны нулю. Понятно, что если в моменты прохождения обкладок вблизи середины тороида 5, т.е. при Δβ≈0°, изменить направление тока в этом тороиде на противоположное, то средняя величина силы P_z и величина импульса Imp_z за то же время поворота стержней не будут равны нулю. Соответствующие этому случаю изменения зависимостей P_z и Imp_z изображены на фиг. 3 пунктиром.

Таким образом, если в процессе вращения стержней 1 с заряженными обкладками 3 и 4 в моменты времени, близкие к моментам, когда силы Р_z в тороидах меняют свое направление на противоположное заданному, с помощью коммутатора направлений тока изменять в них направления этих токов, то сумма сил всех тороидов 5 и ее импульс постоянно будут не равны нулю и действовать в заданном направлении (в данном случае в направлении оси OZ). Зависимости этой суммарной силы и ее импульса от угла β в процессе одного оборота стержней 1 для такого случая приведены на фиг. 4. Указанный импульс силы , постоянно действующей в заданном направлении, может использоваться для управления траекторией космического аппарата.

Что касается сил Р_х и P_z, то расчеты показали, что при одинаковом расстоянии обкладок от тороидов по оси OZ значения этих проекций силы электромагнитного взаимодействия при любом Δβ, т.е. в каждый момент времени, равны нулю.

Возникающий в процессе вращения стержней 1 реактивный крутящий момент, действующий на КА, может парироваться путем установки на него парного количества таких устройств с вращением стержней 1 в противоположных направлениях.

Итак, описанное устройство позволяет получать импульс силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия электрических зарядов, который может быть использован для управления траекторией космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой, например, солнечными батареями. Для этого необходимо, чтобы в нужный момент направление оси вращения стержней 1 с заряженными обкладками совпадало с заданным направлением, требующимся для какого-либо изменения этой траектории, что может быть достигнуто соответствующей ориентацией КА.

Предлагаемое устройство обеспечивает электромагнитное взаимодействие практически не имеющих внешнего магнитного поля обмоток кольцевых сердечников проводником с током с магнитным полем движущихся заряженных обкладок плоских электрических конденсаторов, в результате которого появляются суммарная сила и, соответственно, ее импульс, не равные нулю.

Эти обкладки, электрически изолированные и разведенные друг от друга после зарядки конденсаторов, располагаются на концах стержней с возможностью вращения этих стержней вокруг оси, расположенной на космическом аппарате. Обкладки в целях уменьшения возможности миграции зарядов по ним выполнены в виде незамкнутых проводников, выложенных на плоские диэлектрические основы.

Практически не имеющие внешнего магнитного поля обмотки расположены на космическом аппарате в области магнитного поля движущихся заряженных обкладок наибольшей напряженности. При этом в процессе вращения стержней с обкладками направление тока в каждой обмотке меняется в моменты времени, близкие к моментам, когда какая-либо одна из проекций силы электромагнитного взаимодействия, возникающей на ее витках, на оси связанной с космическим аппаратом трехмерной системы координат меняет свое направление на противоположное заданному.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в обеспечении реализации получения импульса силы, действующей в заданном направлении, и может быть использовано на борту космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой, например, солнечными батареями. Указанные обкладки выполнены в виде незамкнутых проводников, выложенных на плоские диэлектрические основы, электрически изолированы и разведены друг от друга после зарядки конденсаторов и расположены на концах стержней, вращающихся на оси, которая может быть расположена на космическом аппарате. Практически не имеющие внешнего магнитного поля обмотки могут быть расположены на космическом аппарате в области магнитного поля движущихся заряженных обкладок наибольшей напряженности. В процессе вращения стержней с обкладками направление тока в каждой обмотке меняется в моменты времени, близкие к моментам, когда какая-либо одна из проекций силы электромагнитного взаимодействия, возникающей на ее витках, на указанной оси трехмерной системы координат меняет свое направление на противоположное заданному, в результате которого появляются суммарная сила и, соответственно, ее импульс, не равные нулю. 4 ил.

Устройство для получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, содержащее стержни с возможностью их вращения вокруг размещенной на космическом аппарате оси, на которых расположены плоские электрические конденсаторы, параллельные плоскостям вращения стержней, с возможностью разведения их обкладок друг от друга параллельно оси вращения стержней и перемещения по этим стержням, размещенные на космическом аппарате обмотки кольцевых сердечников проводником с током, коммутатор направлений токов в обмотках, а также электродвигатель для вращения стержней и электроприводы для разведения и перемещения обкладок, отличающееся тем, что после зарядки конденсаторов и в процессе вращения стержней их электрически изолированные и разведенные друг от друга обкладки, выполненные в виде незамкнутых проводников, выложенных на диэлектрические основы, находятся на концах стержней таким образом, что указанные обмотки располагаются между ними в области магнитного поля, возникающего при движении заряженных обкладок, наибольшей напряженности, при этом направление тока в каждой обмотке меняется с помощью коммутатора в моменты времени, близкие к моментам, когда какая-либо одна из проекций силы электромагнитного взаимодействия, возникающей на ее витках, на оси связанной с космическим аппаратом трехмерной системы координат меняет свое направление на противоположное заданному.