Проект космического летательного аппарта

Одна из основных проблем космонавтики является поиск опоры, от которой движители космического летательного аппарата (КЛА) могли бы отталкиваться в безвоздушной среде. Современные ракетные движители используют в качестве такой опоры раскалённые газы, образующиеся при сгорании топлива.

Альтернативной идеей является использование солнечных фотонов в качестве опоры для движения, а также источника импульса и энергии для КЛА. Она нашла своё выражение в проекте солнечного паруса, где движущая сила создаётся давлением солнечного света на светоотражающую полимерную пленку.

Однако описанный проект обладает тем недостатком, что использует не всю энергию и импульс солнечного ветра, а только энергию и импульс фотонов. Назовём его пассивным солнечным парусом.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ ПРОЕКТА

В настоящей же работе предлагается идея активного солнечного паруса (рис.1). Принцип его работы заключается в том, что, наряду с фотонами, будет использоваться энергия и импульс заряженных частиц солнечного ветра. Частицы будут отталкиваться импульсным электрическим полем аппарата, что будет придавать ему реактивную силу тяги.

УСТРОЙСТВО АППАРАТА

КЛА с активным солнечным парусом будет включать в себя 3 слоя парусов. 1-й и 2-й слои будут представлять собой сетки из тонких проводников - волокон из углеродных нанотрубок. Особенности этого материала - лёгкость и прочность, что в сочетании с сетчатостью даёт важные преимущества перед пассивным солнечным парусом – лёгкость и простоту конструкции, которые позволят создавать паруса огромного размера (десятки и сотни километров).

Подающееся на сетки высокое напряжение будет отталкивать заряженные частицы солнечного ветра. С помощью системы разделения частиц частицы с разными зарядами будут попадать либо на верхнюю, либо на нижнюю часть паруса. Их также можно разделить с помощью магнитного поля. В 3-м слое будут находиться пассивные солнечные паруса, солнечные батареи и оранжереи с зелёными растениями, которые будут давать экипажу кислород и пищу. Солнечные фотоны будут проникать к ним сквозь сетчатые 1-й и 2-й слои. Первые два слоя будут, к тому же, защищать третий слой от разрушающего воздействия заряженных частиц от Солнца. Обратный слой оранжерей – зеркальный, он будет использоваться и для усиления пассивной фотонной тяги.

На первые два слоя паруса высокое напряжение будет подаваться не постоянно, а импульсами . Когда напряжение выключено, заряженные частицы солнечного ветра будут проникать в промежуток между первым и вторым слоями, а когда напряжение будет включаться, электрическое поле будет тормозить частицы и с силой выталкивать их обратно. Назовём этот промежуток временем бездействия, а когда поле будет включаться, оно будет тормозить частицы и с силой выталкивать их обратно назовём это временем работы. Эти периоды в сумме составляют полный цикл работы солнечного паруса .

Таким образом, принцип движения аппарата будет похож на принцип движения медузы, только вместо воды он будет использовать заряженные частицы солнечного ветра. Для защиты экипажа, растений и солнечных батарей третьего слоя от космических заряженных частиц которые могут лететь спереди, можно применить магнитное поле. Идея защиты корабля магнитным полем, а также использование плазмы, удерживаемой магнитным полем, в качестве пассивного паруса высказана в.

СФЕРИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ АППАРАТА

Возможен другой вариант конструкции активного солнечного паруса – двухслойная сетчатая сфера из углеродного нановолокна . Она будет разделена на отдельные, изолированные друг от друга, сектора, на которые будет подаваться напряжение через тросы также из углеродного нановолокна. Эти тросы будут соединять, как спицы, сферу с кораблём, находящимся в её центре и передавать кораблю силу тяги. Внутри сферы, вблизи корабля будут находиться обычные пассивные солнечные паруса, солнечные батареи и оранжереи. Преимущество этого варианта заключается в том, что можно использовать в качестве движителей и переднюю и заднюю поверхности. Можно быстро менять напряжение на различных секторах и, тем самым, менять направление тяги.

КЛА с активным солнечным парусом сможет использоваться для дальних космических перелётов, поскольку скорость он будет набирать медленно, но его скорость сможет сравниться со скоростью солнечного ветра (сотни км/сек).

В межзвёздном пространстве, где сила солнечного ветра будет незначительной, можно будет использовать силу звёздных ветров.

РАСЧЁТ СИЛЫ ТЯГИ

Автором проведен расчёт средней силы тяги 1 м2 активного солнечного паруса. Расчёт основан на основной формуле, выражающей переход энергии протонов в энергию электрического поля и обратно.

Пользуясь этой формулой, мы вычисляем изменение скорости протонов, а затем и импульса передаваемого кораблю. Так как парус работает импульсно, то чтобы получить среднюю силу тяги мы должны учесть скважность этих импульсов. В конце концов, получаем такие формулы:

Видно, что средняя сила тяги линейно зависит от плотности и относительной скорости протонов. Напряжение уже входит в формулу под корнем и интересно, что нет зависимости от L.

Подставив в эту формулу известные данные о солнечном ветре вблизи земли и протонах при напряжении в 100 млн.В, получаем:

Теперь рассмотрим силу тяги пассивного солнечного паруса. Для зеркального солнечного паруса соударение фотонов с ним будет абсолютно упругим. А значит, каждый фотон будет передавать парусу свой удвоенный импульс. Импульс солнечных фотонов можно вычислить, исходя из солнечной постоянной вблизи Земли с помощью формулы связывающей энергию и импульс фотона.

Таким образом, при данных условиях активный солнечный парус проигрывает по удельной силе тяги пассивному в 65,2 раза. Однако, этот недостаток можно скомпенсировать.

Во-первых, в силу лёгкости конструкции в целом её можно делать очень большой, что увеличит суммарную силу тяги.

Во-вторых, автор провёл расчёты ускорения активного и пассивного парусов.

Таким образом, активный парус ускоряется в 7 раз сильнее пассивного. Это также связано с его лёгкостью.

ДВИЖЕНИЕ АППАРАТА ВНЕ ПРЕДЕЛОВ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Вблизи звёзд часто встречаются облака нейтрального и ионизированного газа с плотностью102-103 частиц/cм3, а также газопылевые облака. В них активный солнечный парус будет ещё более эффективен. Заряженные частицы будут попадать между 1-м и 2-м слоями, а импульсы электрического поля будут выталкивать их назад, создавая реактивную силу тяги. Если облако состоит из нейтрального газа или пыли, их можно будет ионизировать перед носом корабля с помощью сильного электрического поля или радиации. Источником энергии в тёмных областях космоса может быть бортовой ядерный реактор.