(бывший ведущий инженер конструктор (разработчик))

Космонавтика и электрокинетический движитель.

Как известно, все познается в сравнение. Во всем есть свои достоинства, недостатки и противоречия. "Новое" надо сравнивать со "старым", анализируя разные стороны. При сравнении может быть найдена в "новом" качественная сторона, которая преодолеет недостатки "старого". Первоначально, "новое" часто используется со "старым". "Новым" в космонавтике можно назвать электрокинетические движители. Название электрокинетический - от слов электрическая и кинетическая энергия. Движители построены на основе электромагнитных явлений. В движителях происходит процесс преобразования электрической энергии в кинетическую энергию через электромагнитные поля. В нашем случае необходимо ракетные двигатели сравнивать с электрокинетическими движителями комплексно в рамках большой задачи.

Для сравнения поставим задачу найти время полета корабля до Марса и обратно, с выходом на орбиту искусственного спутника Марса. Все расчеты будем проводить оценочно, чтоб не потерять основных качественных отличий и не утонуть в большом количестве "деталей" точных расчетов. Для того чтобы наши рассуждения далеко не уходили от реальности, из открытых источников возьмем основные характеристики известных космических аппаратов.

Тяжелый межпланетный комплекс (ТМК) Королева.

Проект полета к Марсу Королева, достаточно хорошо описан В.Е. Бугровым в книге "Марсианский проект С.П. Королева". Разрабатывалось несколько вариантов. В одном из вариантов рассматривался полет на Марс, а затем полет к Земле через орбиту искусственного спутника Марса. В результате полета рассчитывали вернуть 20 тонн к Земле при начальной стартовой массе корабля на орбите земли ~772 тонны. Предполагалась сборка ТМК на орбите Земли в течении года ракетоносителями Н1 с грузоподъемностью около 100 тонн. Экипаж три человека, общее время полета 2-3 года. Полет предполагался по баллистической кривой с 2-3 коррекциями в полете до достижения планеты.

В дальнейшем полет на Марс пересматривался из-за развития космической техники, но современные оценки недалеко ушли от первоначальных. На текущий момент для реализации полета возможны следующие параметры:

-общее время полета - 2 года,
-масса корабля - 350 т,
-экипаж - четыре человека.

Новый межпланетный корабль (МК).

Для сравнения, пусть межпланетный корабль с электрокинетическим движителем состоит из трех частей. Жилого модуля, корабля для доставки экипажа и транспортного модуля.

Жилой модуль. За основу можно взять данные на станцию "Салют-7". Станция выводится одной ракетой "Протон". Срок эксплуатации станции до 5 лет. Станция предназначена для долговременного пребывания 3 космонавтов. Масса ~ 20 тонн.

Корабль для доставки космонавтов. За основу возьмем корабль "Союз". Экипаж 3 космонавта, масса ~8 тонн, выводится на орбиту ракетоносителем Союз. Ресурс "Союза" в составе со станцией до 200 суток.

Транспортный модуль. Аналога нет. Он должен выполнять функции генерации электричества и основного движителя корабля.

Энергосистема транспортного модуля должна состоять из нескольких видов источников электрического тока, например: солнечные батареи, ионный источник, топливный источник, электрические аккумуляторы или что-то аналогичное; и системы управления энергосистемой. Мощность энергосистемы предположительно 6 киловатт (у современных спутников 12 КВт), из которых 2 киловатта идет для питания электрокинетического движителя.

Электрокинетический движитель кардинально не похож на ракетные двигатели. Если ракетные двигатели имеют сосредоточенную конструкцию, то электрокинетические должны иметь рассредоточенную конструкцию. Электрокинетический двигатель не имеет движущихся механических частей, не порождает выброса масс. Выглядеть будет как внешнее кольцо одетое на транспортный модуль. Кольцо разделено на сектора (например - на 12). Внешне сектора выглядят как пористые тела. Каждый сектор работает независимо и может формировать силу тяги от 0 до своего максимума. Изменяя работу секторов, мы меняем направление общего вектора силы тяги относительно центра тяжести корабля. Т.е. примерно так, как меняется вектор тяги у несущего винта вертолета.

Предположим, что транспортный модуль с оборудованием, расходными материалами и движителем, будет массой 20 тонн и рассчитан на срок эксплуатации 5 лет. Что вполне теоретически возможно реализовать при текущем уровне техники. Описываемый нами корабль будет выглядеть примерно вот так:

Рис.1

Теоретически преобразование электрической энергии в кинетическую в электрокинетических движителях стремится к 100%, но на практике до этого еще далеко. В нашем случае возьмем значение, которое по некоторым данным можно реализовать - 10%, но об этом ниже. То есть электрокинетический двигатель будет с коэффициентом преобразования электрической энергии в кинетическую, примерно как у парового двигателя, преобразующего химическую энергию в кинетическую.

В итоге имеем:

-масса укомплектованного корабля ~50тонн,

-источник электроэнергии для непрерывного питания движителя - 2 киловатта,

- коэффициент преобразования движителем электрической энергии в кинетическую ~10%,

-экипаж - 3 человека,

-время полета не должно превышать 200 суток.

Полет к Марсу и обратно на МК.

Схема полета для рассмотрения будет следующей: с орбиты искусственного спутника Земли на скорости 8км/сек включается движитель на ускорение и посредине пути корабль тормозит тем же двигателем. Корабль движется все время с ускорением. Облетев Марс по орбите искусственного спутника Марса (предположим на скорости 8км/сек) ,корабль таким же способом возвращается на Землю.

Минимальное расстояние от Земли до Марса ~50млн. км., максимальное 400млн. км. Возьмем для рассмотрения расстояние от Земли до Марса около 200млн. км. Это примерно в 4 раза больше чем минимальное расстояние.

Электрический источник при мощности 2000 ватт, в секунду вырабатывает 2000 дж. При 10% коэффициенте преобразования в кинетическую энергию, ежесекундно будет преобразовано 200 дж, которые идут на увеличение скорости корабля.

Из формулы кинетической энергии E=m*v^2/2 для корабля массой 50 тонн или 5*10^4 кг можем посчитать, что прирост скорости в секунду будет ~0,09м/сек (9 см/сек).

Это соответствует ускорению корабля 0,09м/сек^2, что соответствует силе 4500 ньютон. Такое ускорение позволяет приобрести дополнительную скорость в течении часа (v=a*t) 324 метра/сек. За сутки дополнительная скорость 7776 м/сек или 7.7Км/сек

Посчитаем время полета до середины пути в один конец. Расчет сделаем из известной формулы S=v0*t +a*t^2/2.

Если до середины путь S=100 млн.км или 10^11 метров, ускорение а=0,09м/с^2, начальная скорость v0=8*10^3м/сек, то t= 1404470сек, или 390 часов, или ~17 дней.

Скорость в середине пути достигнет ~126000 м/сек или 126 км/сек. Время полета от Земли до Марса составит~34 дня. Полет до Марса и обратно составит ~70 дней.

Подведем итоги.

1. Расчетное время полета сократилось в 10 раз по сравнению с традиционным. Полет не превысил 200 суток, а значит не исчерпался ресурс корабля доставки типа "Союз".

2. Время полета сравнимо с временем полета сменного экипажа на орбитальной станции. Значит для обеспечения космонавтов нужно пищи, кислорода и других расходных материалов примерно столько же, сколько позволяют ресурсы станции Салют_7.

3. Уменьшенное время полета уменьшает радиационное воздействие космоса на космонавтов. Значит, вполне может быть оправдано использование существующей космической техники при дальних полетах без особых доработок. По крайней мере, ее значительной части.

4. Мы вернули корабль на земную орбиту полностью, за исключением расходных материалов. Снарядив его расходными материалами, снова можем совершить новый полет на Марс. То есть, если частота полетов раз в полгода, то за пять лет будет совершено десять полетов.

5. Значительно может быть сокращено время спасательной экспедиции на Марс в случае чрезвычайных ситуаций.

Учитывая, что начальная орбитальная масса МК меньше в 7 раз массы ТМК, и количество полетов за 5 лет может быть 10, то становится очевидным, что стоимость полета на Марс, снижается не менее чем 70 раз, по сравнению с полетом посредством ТМК. Это уже позволяет отдельной стране осваивать Солнечную систему.

Об энергии для полета МК.

Для оценки реализуемости полета выразим энергию полета через массу топлива и окислителя, обладающую необходимой энергией.

Количество используемой движителем энергии при полете основными четырьмя этапами составляет 4*1404470сек*200дж= 1 123 576 000дж

С учетом коэффициента преобразования движителя 10%, электрический источник, питающий движитель должен выработать 11 235 760 000Дж.

Химическая энергия керосина 4,3 *10^7 Дж/кг. Энергия полета в пересчете на массу керосина составит всего ~260кг керосина.

Если предположить, что коэффициент преобразования химической энергии керосина в электрическую равен 20%, то керосина потребуется в пять раз больше т.е. 1300кг. Примерно столько же потребуется окислителя. Итого - 2600 кг, это минимальная масса расходных материалов для питания движителя во время полета, обладающая необходимой энергией.

Из заданных условий только треть идет на питание движителя. В таком случае общая масса расходных материалов 7800кг. Это вписывается в заявленную массу транспортного модуля в 20000кг.

Об электрокинетическом движителе.

В чем же особенность электрокинетического движителя, использование которого рисует фантастическую картину для космических полетов. Для этого рассмотрим последовательность аналогий, хотя это не научное доказательство. Такие рассуждения часто используются и доступно показывают качественные отличия от общепринятых, хотя и не раскрывают особенностей физических процессов. Аналогии показывают направления, в которых надо работать.

В ракете при работе ракетного двигателя происходит преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию. В процессе работы ракетного двигателя происходит разделение частей ракеты, и в соответствии с законом сохранения количества движения, каждая часть приобретает свою часть кинетической энергии, как оболочка ракеты, так и струя газов. Большую часть энергии получают газы.

Похожий внешне процесс, но на других физических принципах, происходит в излучающих направленных антеннах, за исключением того, что антенны не теряют своих частей. При работе излучающей направленной антенны происходит процесс преобразования электрической энергии источника в энергию электромагнитной волны. Образованная электромагнитная волна обладает количеством движения. Но значение кинетической энергии, получаемой антенной после образования электромагнитной волны незначительно. Как следствие, на практике антенные движители не применяются.

Работа антенн похожа на работу звукового динамика.

Рис.2

При работе звукового динамика происходит преобразование электрической энергии в энергию звуковой волны. Это устройство также не применяется как движитель, хотя такие попытки были. Это устройство связано с материальной средой (воздушной), и его работу можно описать с гидродинамических позиций. Но из гидродинамики известно, что в качестве движителей применяются устройства, которые возбуждают не колебания, а потоки. Яркий пример - самолет, сильно гудит, излучает мощную звуковую волну, но летит за счет образования воздушных потоков известным устройством - винтом. Воздушные потоки от винта образуются, как изображено на рисунке внизу. Потоки связаны с полем скоростей V в пространстве в области воздушного винта. Для материальной среды поле скоростей через пропорциональные коэффициенты (массы элементарных объемов) связано с полем количества движения P=mV. Внешний вид поля количества движения в среде будет такой же, как поля скоростей. При работе винта в его окрестности может образоваться постоянно направленный суммарный вектор количества движения - Рс, что вызывает реакцию среды на винт в виде импульса = Ру. Из закона сохранения количества движения следует Рс=Ру.

Рис.3

Теперь возникает вопрос. Что произойдет с неизвестным устройством, если оно воссоздаст поле количества движения в среде и сформирует однонаправленный вектор Рс по аналогии с винтом? Ответ - устройство должно приобрести импульс Ру=Рс, ведь закон сохранения количества движения должен выполняться. То есть это устройство будет движителем в среде.

Интересующая нас среда это вакуум. Известно, что в нем электромагнитные устройства создают поля количества движения, связанные через коэффициент 1/с с полями векторов Умова-Пойтинга. Простейшие электромагнитные устройства, создающие интересующие нас конфигурацию поля импульса в среде, известны. Например:

- пондеролет Игнатьева Г.Ф.,

- устройство описанное в заявке на изобретение - 2011140466 "Электрокинетический движитель",

- и другие.

Из картины поля импульса в среде понятно, что принцип работы этих устройств не такой, как у антенн. Из-за этого они изначально более эффективные движители, чем антенны. Так же, как простейший воздушный винт эффективней совершенного звукового динамика. Это подтверждено экспериментами. Теоретически могут быть созданы электромагнитные конструкции, которые будут более эффективны, чем ракетные двигатели. На практике, эксперименты с более сложными конструкциями показывают тенденцию к резкому возрастанию эффективности движителей и подтверждают теоретические предположения.

Теоретическая возможность достижения 10% преобразования была использована в выше приведенном расчете полета на Марс.

Так как вакуум пронизывает все материальные среды, то электрокинетические движители являются универсальными.

Используемые источники:

Гейгель. Наука логики. Москва. Мысль. 1970г. перевод.

Максвелл Д.К. "Трактат об электричестве и магнетизме". Москва. Наука. 1989г. перевод.

Умов Н.А. Уравнения движения энергии в телах. Одесса. 1874г.

Умов Н.А. Теория взаимодействий на расстояниях конечных и ее приложения к выводу электростатических и электродинамических законов. Москва. 1878г.

Избранные сочинения Лебедев П.Н. Экспериментальное исследование пондеромоторного действия волн на резонаторы. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва 1949г.

С.Г. Калашников. Электричество. 1956г.

Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. Наука. Москва. 1968г.

Милн-Томпсон. Теоретическая гидродинамика. Мир. Москва. 1964г. перевод.

"Пондеромоторное действие электромагнитного поля." Под ред. Р.А. Валитова. "Сов.радио". 1975 год.

Переводы трудов Николы Тесла.

Игнатьев Г.Ф. Построение движителя для свободного пространства на пондеромоторном эффекте.

В.Е. Бугров, Марсианский проект С.П. Королева.

Литвиненко В.А., Заявка на изобретение - 2011140466 "Электрокинетический движитель". 2013г.

Капцов О. Полет на Марс отменяется.2013 г.

Литвиненко В.А., "О новом типе движителя.", 2014г.

Литвиненко В.А., "В дополнении о новом типе движителя.", 2014г.

Литвиненко В.А., "О возможности увеличения качества движителя.", 2014г.

Литвиненко В.А., "Можно ли преодолеть тупик в космонавтике?", 2015г.

ru.wikipedia.org

lenta.ru

другие интернет сайты и книги.