Устройство для получения 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 космическими аппаратами (КА) в безвоздушном пространстве в основном используются двигатели, создающие необходимые для этого движущие силы посредством выброса рабочего тела. Однако пополнение запаса этого тела на аппарате, прежде всего в ходе длительного полета, стоит очень дорого, а иногда и неосуществимо, что сильно ограничивает маневренные возможности аппарата. Поэтому целесообразно искать новые способы и средства управления КА, не имеющие этого недостатка, например, способы и средства на основе получения движущей силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, генерируемых, в частности, имеющейся на КА солнечной батареей.

Такой способ приводится в материалах изобретения автора «Способ получения импульса силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов» [патент Российской Федерации RU 2579764 C1]. В этих материалах рассматривается взаимодействие движущихся заряженных обкладок плоского конденсатора с практически не имеющим внешнего магнитного поля электрическим тороидом с постоянным током, результате которого на его витках возникает неравная нулю сила Ампера. Здесь указанные обкладки электрически изолируются после зарядки конденсатора, разводятся друг от друга на некоторое расстояние и движутся по окружности вблизи тороида.

С целью обеспечения действия одной из проекций этой силы на оси трехмерной системы координат, связанной с КА, в заданном направлении, в этих тороидах циклически меняется направление токов в моменты, когда эта проекция меняет свое направление. В итоге указанная сила может быть использована для управления КА.

В основе этого способа лежат следующие положения существующей теории электромагнетизма и результаты исследований автора, проведенных в соответствии с этой теорией и использованных при разработке материалов указанного патента:

- намотка проводника с постоянным током на кольцевой сердечник (электрический тороид), практически, не имеет внешнего магнитного поля [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М, 1964, стр. 110], следовательно, она (он) не оказывает действия на движущиеся рядом заряды;

- на обкладках заряженных электрических конденсаторов находятся разноименные электрические заряды [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М, 1964, стр. 71]. Тогда, если после зарядки конденсатора эти обкладки электрически изолировать друг от друга и развести на какое-то расстояние друг от друга, то в условиях космического пространства заряды будут находиться на них более длительное время, чем в земных условиях;

- движущееся заряженное тело является источником магнитного поля [И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 2, М, 1964, стр. 99]. В соответствии с этим при движении заряженных обкладок конденсатора возникнет магнитное поле;

- сила, возникающая на витках тороида в процессе электромагнитного взаимодействия с ним движущихся заряженных обкладок, не имеющих на своих поверхностях вихревых токов и движущихся по замкнутой траектории, имеет различные величину и направление в зависимости от их расположения относительно друг друга. Здесь почти во все время их движения по траектории, достаточно близкой к тороиду, эта сила не равна нулю, за исключением моментов перемены ее направления [Материалы патента RU 2579764 C1, статья «Исследования способов расширения маневренных возможностей космических аппаратов. Ж. Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИмаш, №3, 2016 г, стр. 28-35];

- зависимость указанной силы по времени определяются скоростью движения обкладок, которая при использовании любого технического устройства во много раз меньше, чем скорость распространения магнитного поля по проводнику электрического контура с током при его включении.

Последние два обстоятельства имеют определяющее значение в деле получения искомой силы. Они дают время для обеспечения действия силы, возникающей на намотке тороида, в заданном направлении путем изменения состояния физической системы, в которой происходит указанное взаимодействие, с помощью своевременного изменения тока в части или во всей намотке тороида.

При этом под заданном направлением понимается направление, необходимое для перемещения КА по нужной траектории полета. Под своевременным изменением тока в тороиде понимается его изменение в те моменты времени, когда какая-либо одна из проекций этой силы на выбранную ось трехмерной системы координат, связанной с КА, меняет свое направление на направление, противоположное заданному.

Здесь следует отметить существенный недостаток способа обеспечения действия в заданном направлении этой проекции силы, использованного в материалах указанного патента, заключающегося в своевременном изменении направления тока во всей намотке тороида. В этом случае при большом количестве витков намотки использование в ней переменного тока, приводит, в частности, к появлению большого индуктивного сопротивления. Это обуславливает уменьшение величины тока в тороиде и, соответственно, к снижению возникающих в процессе взаимодействия сил по сравнению со случаем использования постоянного тока, тем более, в состоянии сверхпроводимости, возможном в безвоздушном пространстве при условии экранировании тороида от нагрева солнечной радиацией.

Поэтому ниже предлагается устройство для получения силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, свободное от этого недостатка, также основанное на указанных выше положениях.

Краткое описание чертежей

На рисунке 1 изображена одна часть из парного количества аналогичных частей предлагаемого устройства, обеспечивающего указанный вариант взаимодействия электрического тороида и движущихся заряженных обкладок плоского электрического конденсатора, изображенная в момент его зарядки.

На рисунке 2 показана эта часть устройства в процессе его работы после зарядки конденсатора.

На рисунке 3 схематично показано все устройство, состоящее из двух аналогичных частей, расположенных на ферме, прикрепленной к КА, в проекции на плоскость ХОУ трехмерной системы координат, связанной с КА.

На рисунке 4 приведена качественная, т.е. без указания ее величин, зависимость приходящей на корпус КА от одного тороида проекции силы, возникающей на тороиде, на ось ОУ, Ру, изменяющейся по углу поворота стержней с обкладками β.

На рисунке 5 изображена намотка проводника тороида на кольцевой сердечник из диамагнетика, состоящая из двух электрически изолированных друг от друга и различных по длине участков ABC и СА.

На рисунке 6 показана итоговая зависимость суммарной силы Ру^Σ от двух частей предлагаемого устройства, приходящей на КА и изменяющейся по углу поворота стержней с обкладками β получаемая при использовании описываемого ниже способа обеспечения действия в заданном направлении проекции силы, возникающей на витках тороида, на ось ОУ.

Итак, на рисунке 1 показаны стержни 1, с возможностью вращения вокруг оси 2, расположенной на ферме 3 корпуса космического аппарата, которая для удобства изображения показана выделенной серым цветом на рисунке 3. На этих стержнях находится плоский электрический конденсатор с обкладками 4, которые показаны в положении зарядки от солнечных батарей. Эти обкладки расположены параллельно плоскости вращения стержней 1 вокруг оси 2, проходящей по оси OZ трехмерной системы координат, связанной с космическим аппаратом.

Расположение разноименных зарядов на обкладках, накапливаемых в процессе зарядки конденсатора, показано кружочками с соответствующими знаками внутри. Там же показан электрический тороид 5 с постоянным током, расположенный на ферме 3, с центром, совпадающим с центром вращения стержней 1. Обкладки 4, которые представляют собой незамкнутые проводники 6 малой толщины, выложенные на плоские диэлектрические основы 7. Цифрой 8 обозначены проводники, соединяющие проводники 6 с солнечными батареями в момент зарядки. Цифрой 9 обозначены крепления тороида к ферме 3. Там же изображен фрагмент экрана 10, защищающего намотку тороида от нагрева солнечной радиацией, выполненного, в частности, в виде кольцевого канала и закрепленного на ферме 3, как и тороид, с помощью креплений 9. Этот экран может быть любой другой формы.

На рисунке 2 показана схема части устройства в процессе вращения стержней 1 после зарядки конденсатора. На ней видно, что заряженные обкладки изолированы друг от друга и разведены по краям стержней 1, обеспечивая тем самым нахождение тороида между движущихся обкладок в области их магнитного поля наибольшей напряженности. Также на рисунке 2 показаны пунктирными линиями со стрелками отдельные расчетные линии магнитной индукции поля обкладок В, полученные в соответствии с «правилом буравчика». При этом показаны направления вращения стержней 1 с угловой скоростью ω и угла их поворота β.

Для расчета магнитного поля движущихся обкладок в каждом положении стержней использовалась компьютерная программа, кратко изложенная в статье [Фортов В.В. Некоторые особенности электромагнитного взаимодействия электрических контуров с током. Электричество, 2005, №6, стр. 54-58]. Это поле рассчитывалось как поле находящихся на обкладках в заданном положении их траектории участков (отрезков) проводника с током, состоящих, в свою очередь, из ряда элементарных участков, расположенных по окружностям с центрами, совпадающими с центром вращения стержней. Величина тока в каждом отрезке определялась как отношение величины заряда на нем, найденного с помощью известной формулы для заряда плоского конденсатора, ко времени перемещения отрезка на расстояние, равного его длине.

Все это позволило рассчитывать магнитное поле указанных обкладок и силы, возникающие на витках тороида, с учетом того факта, что структура поля движущихся отрезков проводника с зарядами отличается от структуры поля обычного замкнутого электрического контура.

Было принято, что в данном случае нужным направлением движения КА и, соответственно, заданным направлением действия суммарной силы, возникающей на витках тороида, является направление оси ОУ.

Итак, на рисунке 3 изображена полученная в результате расчетов картина проекций на плоскость ХОУ сил, возникающих на каждом тороиде, направленных перпендикулярно стержням 1 в каждый момент их движения и передаваемых на корпус КА, Рху, условно приложенных к центрам тороидов, а также проекция суммарной силы, приходящей на корпус КА от двух тороидов на ось ОУ, Ру^Σ. При этом на нем указаны направления синхронного вращения стержней с заряженными обкладками в противоположных направлениях.

Отсюда видно, что в этом устройстве воздействие на КА двух одинаковых противоположно направленных проекций сил на ось ОХ Рх равно нулю. Что касается силы Pz, то при одинаковых расстояниях обкладок от тороида по оси OZ эта сила равна нулю.

На рисунке 4 показан характер силы Ру, приходящей на корпус КА от одного тороида через крепления 9 и ферму 3, определяющийся в соответствии с «правилом левой руки» направлениями линий магнитной индукции полей движущихся обкладок и токов в витках намотки тороида, ближайших к области максимальной напряженности этих полей.

Здесь возникает проблема обеспечения действия силы Ру только в заданном направлении, т.е. в направлении оси ОУ. Способ решения этой проблемы, отличный от способа применения переменного тока во всей намотке тороида, описывается ниже.

Этот способ заключается в следующем.

Намотка проводника тороида на кольцевой сердечник из диамагнетика, состоящая из двух электрически изолированных друг от друга и различных по длине участков ABC и СА, выполняется в два слоя (см. рис. 5). Первый больший по длине участок вначале наматывается от точки А через точку В до точки С, затем обратно. При этом ток в обоих слоях намотки идет по окружностям витков в одном направлении. Таким же образом наматывается меньший по длине участок СА, т.е. вначале от точки С до точки А, затем обратно. На рисунке 5 также показаны фрагменты подводящих ток проводников намоток с указанием направлений токов в них стрелками.

Такой способ изготовления намотки позволяет использовать переменный по величине ток только в малом участке намотки СА. Т.е. в случае, когда стержни 1 с обкладками начинают движение в той половине оборота, в которой сила Ру действует в направлении, противоположном заданному, ток в этом участке намотки выключается, а при начале вращения их в другой половине включается ток такой же величины как на участке ABC.

Таким образом, выключение тока на участке СА превращает участок намотки ABC с постоянным током в постоянный магнит подковообразной формы. В этом случае будет осуществляться взаимодействие двух источников магнитного поля, т.е. постоянного магнита и движущихся заряженных тел, в результате которого в соответствии с законом равенства действия противодействию, на них возникнут равные и противоположно направленные силы. В итоге в этот момент сумма сил, возникающих на большем участке намотки тороида и обкладках, приходящих на корпус КА через крепления 9, стержни 1, ось 2 и ферму 3 будет равна нулю. Это равносильно выключению тока во всей намотке тороида.

В случае, когда во всех витках полной намотки идет один и тот же ток в одном направлении она превращается в электрический тороид, его внешнее поле исчезает и на КА действует указанная выше сила Ру. В результате использования этого способа зависимость силы Ру^Σ от угла поворота стержней с обкладками β принимает вид, показанный на рисунке 6.

Таким образом, этим способом можно добиться получения движущей силы, действующей только в заданном направлении, путем, позволяющим существенно снизить индуктивное сопротивление проводника намотки тороида, с помощью использования переменного по величине тока только на ее малом участке.

Кроме того применение переменного тока только в малом участке намотки тороида позволяет сохранить состояние сверхпроводимости в большей части намотки при условии ее экранирования от нагрева солнечной радиацией, что обеспечит большую величину тока в тороиде и, соответственно, значительную величину силы Ру.

Т.о. с помощью предлагаемого устройства можно получить движущую силу Ру^Σ, которую можно использовать для управления КА в безвоздушном пространстве.

Что касается изменения направления этой силы путем поворота КА относительно своего центра масс, то оно, в частности, может быть обеспечено с помощью регулирования величины тока в соответствующей половине парного количества указанных частей предлагаемого устройства и, следовательно, сил в соответствующих тороидах, размещенных на КА на некотором расстоянии от его центра масс.

В отношении отрицательного влияния на аппарат реактивного крутящего момента от вращения стержней с обкладками, а также крутящих моментов собственно тороидов, то они парируются установкой на аппарате парного количества рассмотренных устройств с синхронным вращением стержней с обкладками в противоположных направлениях.

При этом в процессе взаимодействия предлагаемое устройство не является замкнутой физической системой, т.е. оно не изолировано от окружающей среды, т.к. в него постоянно поступает электроэнергия, вырабатываемая солнечными батареями, для вращения заряженных обкладок, создающих магнитное поле, взаимодействующее с тороидами, для питания тороидов и очередных подзарядок обкладок. Поэтому это устройство безотрывно связано с окружающей средой.

Итак, предлагаемое устройство позволяет получать силу, действующую в заданном направлении, которую можно использовать для управления траекторией космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой солнечными батареями. Оно обеспечивает электромагнитное взаимодействие намоток проводника на кольцевые сердечники, состоящих из двух электрически изолированных друг от друга участков различной длины, с движущимися разведенными друг от друга заряженными обкладками плоских электрических конденсаторов. При этом в меньших по длине из этих участков токи включаются и выключаются в зависимости от направления действия силы, возникающей на витках намоток в процессе вращения стержней с указанными обкладками.

Эти обкладки, электрически изолированные и разведенные друг от друга после зарядки конденсаторов, в процессе взаимодействия располагаются на концах вращающихся вокруг оси, расположенной на космическом аппарате, стержней. Они в целях уменьшения отрицательного влияния вихревых токов обкладок на силу, возникающую на витках намоток, выполнены в виде не создающих замкнутых петель проводников малой ширины, выложенных на плоские диэлектрические основы.

Во время вращения стержней витки намоток, закрепленных на космическом аппарате, находятся между движущимися обкладками в области их магнитного поля наибольшей напряженности.

Специальный экран защищает намотки проводника от нагрева солнечной радиацией с целью обеспечения сверхпроводимости в их проводниках.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при освоении космического пространства. Технический результат - обеспечение возможности управления траекторией космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой, например, солнечными батареями. Устройство позволяет получать силу, действующую в заданном направлении, которую можно использовать для управления траекторией космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой солнечными батареями. Оно обеспечивает электромагнитное взаимодействие намоток проводника на кольцевые сердечники, состоящих из двух электрически изолированных друг от друга участков различной длины, с движущимися разведенными друг от друга заряженными обкладками плоских электрических конденсаторов. В меньших по длине из этих участков токи включаются и выключаются в зависимости от направления действия силы, возникающей на витках намоток в процессе вращения стержней с указанными обкладками. Эти обкладки, электрически изолированные и разведенные друг от друга после зарядки конденсаторов, в процессе взаимодействия располагаются на концах вращающихся вокруг оси, расположенной на космическом аппарате, стержней. Во время вращения стержней витки намоток, закрепленных на космическом аппарате, находятся между движущимися обкладками в области их магнитного поля наибольшей напряженности. 6 ил.

Устройство для получения силы, действующей в заданном направлении, путем организации взаимодействия движущихся электрических зарядов, содержащее размещенное на ферме, прикрепленной к космическому аппарату, парное количество параллельных осей, стержни с возможностью их синхронного вращения вокруг этих осей в противоположных направлениях, на которых расположены плоские электрические конденсаторы с обкладками, выполненными в виде выложенных на диэлектрические основы незамкнутых проводников малой толщины, с возможностью их электрической изоляции после зарядки конденсаторов, затем разведения друг от друга параллельно осям вращения стержней и перемещения по этим стержням, парное количество закрепленных на ферме намоток проводника на кольцевые сердечники, состоящих из двух электрически изолированных друг от друга участков и расположенных таким образом, что их центры находятся на осях вращения стержней, электродвигатели для вращения стержней и электроприводы для разведения и перемещения обкладок конденсаторов таким образом, чтобы витки указанных намоток находились между движущимися по окружностям заряженными обкладками в областях их магнитных полей максимальной интенсивности, а также экраны, защищающие эти намотки от нагрева солнечной радиацией, отличающееся тем, что в целях получения действующей в заданном направлении проекции приходящей на космический аппарат суммарной силы, возникающей в процессе взаимодействия указанных намоток с током и движущихся заряженных обкладок, на выбранную ось трехмерной системы координат, связанной с космическим аппаратом, постоянные токи в одних участках намоток выключаются в моменты, когда эта проекция близка к моментам изменения своего направления на направление, противоположное заданному, и включаются в моменты, близкие к моментам изменения ее направления на заданное, при том что в других участках намоток все время идут постоянные токи.