Способ создания подъемной силы и двигатель для его осуществления

 

Использование: для создания движущих сил для управления перемещением различных, преимущественно космических, объектов, в частности, при полетах в гравитационное поле небесных тел. Сущность изобретения: двум или более цепочкам дискретных масс /ДМ/ сообщают движение в попарно встречных направлениях вдоль криволинейных трубчатых направляющих, сопряженных по концам скругляющими участками, по которым ДМ переходят из одной трубы в другую, меняя направление своего движения, возбуждаемого и управляемого посредством установленных вдоль труб соленоидных электромагнитных ускорителей. Динамические реакции ДМ в скругляющих участках полностью или частично компенсируются связанными с этими участками поворотными ракетными движителями. Изобретение позволяет создавать и перемещать в пространстве облегченные крупногабаритные конструкции достаточной жесткости при минимальном влиянии на них ракетных движителей, которые могут быть значительно удалены от центральных участков конструкции и/или несомой ею полезной нагрузки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к средствам создания движущих сил для управления перемещением различных, преимущественно космических, объектов и может быть использовано, в частности, для полетов в гравитационном поле небесных тел.

Известны реактивные двигатели летательных аппаратов, в которых реализуется способ создания движущей силы за счет реакции истекающей из сопла двигателя высокоскоростной струи рабочего тела /см. Циолковский К.Э. Исследование мировых пространств реактивными приборами /1903 г./ Избр. тр. М. изд. АН СССР, 1962, с. 136 166/. Недостатками таких способа и устройств являются высокий, как правило, расход рабочего тела и относительно большая масса вспомогательной конструкции.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ создания подъемной силы, включающий сообщение по меньшей мере двум цепочкам дискретных масс /ДМ/ движения в попарно встречных направлениях вдоль траекторий огибания планеты и передачу возникающих усилий от цепочек к поддерживаемой ими конструкции. Данный способ реализуется двигателями /прототипом изобретения/, содержащим параллельные трубы, изогнутые вдоль кольца, описанного вокруг центра притяжения небесного тела, электромагнитные ускорители, установленные в трубах, и размещенные в трубах ДМ, взаимодействующие с ускорителями и имеющие возможность перемещения в трубах во взаимнопротивоположных направлениях /авт. св. N 1165417; кл. A 63 H 27/00; 1980/.

При движении ДМ по криволинейным траекториям, огибающим планету, они испытывают центростремительные силы со стороны поддерживаемой ими конструкции, которая, в свою очередь, подвергается реакции со стороны ДМ /так называемой центробежной силе/, направленной против гравитационного притяжения планеты. Данная реакция, таким образом, является подъемной силой, не требующей для своего создания расхода рабочего тела реактивных двигателей.

Недостатком известных способа и устройства являются слишком большие размеры конструкции /планетарного масштаба/ и высокие потребные скорости ДМ, существенно превышающее первую космическую /около 8 км/ч. для Земли/.

Техническим результатом изобретения являются уменьшение размеров двигателя и поддерживаемой конструкции, снижение потребных скоростей ДМ и повышение маневренности объектов, на которых используется данное изобретение.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе-прототипе движение ДМ ограничивают неполными дугами указанных траекторий ДМ, попарно сопряженных по концам скругленными участками, вдоль которых осуществляют перевод ДМ из одной цепочки в другую путем передачи этим массам реактивной силы тяги. Эту силу тяги передают ДМ, в частности, через округленные части поддерживаемой конструкции, выполненные вдоль указанных скругленных участков траекторий ДМ.

Технический результат достигается также тем, что в двигателе прототипе параллельные трубы сопряжены друг с другом по концам с помощью трубчатых участок в форме полуокружностей, снабженных электромагнитными ускорителями /ЭМУ/ ДМ, причем на указанных участках установлены поворотные ракетные движители.

Эти движители могут быть установлены по внешним окружностям трубчатых участков сопряжения параллельных труб.

Указанные параллельные трубы могут быть изогнуты и стянуты вдоль хорд тросами, а в средней их части между трубами и тросами может быть установлена опора.

Для уяснения сущности изобретения можно отметить, что в данном случае подъемная сила создается "локально действующими центробежными силами", т.е. ДМ, движущиеся по изогнутым трубам, придают поддерживаемой конструкции достаточную динамическую жесткость, исключая или сводя к минимуму применение традиционных несущих элементов: балок, ферм и т.п. Конструкция при значительных ее размерах: до десятков и более км /на орбите вокруг планеты/, - оказывается гораздо менее массивной, чем обычно, причем скорости ДМ могут быть относительно невелики: до десятков и сотен м/с. Скругления на концах труб могут быть небольших размеров и выполненными в виде жестких "колес"; реакции на них от ДМ могут восприниматься ракетными движителями /РД/ лишь частично либо вовсе лишь за счет конструктивной жесткости "колес". Сами РД необходимы, в основном, для коррекции положения конструкции и перевода ее с орбиты на орбиту. Эти РД могут выполняться в виде двигателей малой тяги /ионных, плазменных и т.д./ с небольшим расходом рабочего тела.

На фиг. 1 дан общий вид двигателя для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 вариант с дисками вращения на концах изогнутых труб; на фиг.3, 4 - примеры передачи ДМ на колесо диска и с колеса обратно в трубу; на фиг.5 - вариант упрочненной конструкции согласно изобретению; на фиг.6 направление действия подъемных /центробежных/ сил в двигателе.

Схематично показанные на фиг.1 дугообразно изогнутые трубы 1 и 2 снабжены ЭМУ 3 соленоидного типа /с системой коммутации для создания "бегущего магнитного поля"; не показана/. На округляющих полуокружностях 4 установлены РД 5. С двигателем соединена некоторая полезная нагрузка 6.

Вариант выполнения округлений в виде дисков 7 /фиг.2/ предусматривает наличие осей вращения 8 дисков и герметичной оболочки 9, сопряженной с трубами 1 и 2 /например, также герметичными и вакуумированными/. Для смещения ДМ, выполненных, например, в форме /ферромагнитных/ шаров 10, под "обод" 11 диска 7 служит клин 12 /фиг. 3/ с размещенной вдоль его поверхности известной системой 13 /фиг. 4/ магнитной /бесконтактной/ подвески шаров 10. Кроме этого, может быть предусмотрен толкатель 14 /электромагнитного типа/ для выталкивания шаров 10 из-под "обода" 11 в трубу 2. Система 13 и толкатель 14 могут быть индукторного типа, а шары 10 электропроводящими /для наведения в них токов Фуко/.

Параллельные трубы 1, 2 /фиг. 5/ могут быть для повышения жесткости конструкции, стянуты по хордам тросами 15 /регулируемой длины/ и снабжены опорой /стойкой/ 16, стабилизирующей форму сооружения, в частности, в различных переходных режимах /при изменении скорости ДМ, при включении-отключении РД 5 и т.п./ Как показано на фиг. 6, воздействие ДМ на поддерживаемую конструкцию направлено по нормали к линии изгиба труб /если ДМ движется там без трения и ускорения/: множество элементарных подъемных сил 17, 19, и т.п. уравновешивает, в частности, вес конструкции вытянутой вдоль орбиты вокруг планеты 20 /понятие "веса" здесь требует уточнения: можно говорить об "абсолютном весе" системы, равном арифметической сумме модулей сил типа 17 и 19, т.к. любой участок притягивается к центру планеты 20; но можно говорить и об "эффективном весе" системы, равном геометрической сумме сил типа 17 и 19, т. е. о равнодействующей гравитационных сил, действующих на "дугу" как целое. Очевидно, абсолютный вес всегда больше эффективного, в частности, для замкнутого кольца, концентричного планете, последний равен нулю при любом абсолютном весе, как бы велик он ни был. На фиг. 6 абсолютный вес полукольца вдвое больше эффективного. Для малых по сравнению с радиусом планеты дуг оба веса практически совпадают/.

Важно заметить, что "локальные центробежные силы" /17, 19,/ уравновешивают абсолютный вес системы /или его часть, если конструкция движется по орбите с суборбитальной скоростью/, т.е. ускорение V²/R порядка гравитационного на удалении R от планеты 20. Отсюда легко выводится, что реакции 18 на скруглениях где скорость ДМ меняется от +V до -V имеют величины порядка веса конструкции длины R /для Земли R 7000.8000 км/. Реакции 18 должны практически полностью компенсироваться тягой РД, иначе вдоль труб 1, 2 возникает недопустимое натяжение. Таким образом, хотя компенсирующий вес меньше абсолютного /и для полукольца близок к эффективному/, но все же очень велик: по крайней мере многие тысячи тонн силы, ввиду чего здесь нужны РД большой тяги с высоким расходом рабочего тела.

Если же конструкция относительно невелика и движется по орбите подобно обычному спутнику, то отмеченных проблем не возникает: для поддержания формы конструкции достаточно небольших скоростей и РД с умеренной и малой тягой. При использовании тросов 15 и опор 16 требования к РД могут быть еще ниже.

Работа предлагаемого двигателя при реализации способа согласно изобретению осуществляется следующим образом.

После развертывания двигателя /например, на околопланетной орбите/ в рабочее положение ДМ придается движение вдоль труб 1, 2 с помощью системы ЭМУ /соленоидов/ 3 /фиг. 1/, управляемой известными средствами коммутации, например подобными тем, которые используются в прототипе. С помощью элементов 12, 13 и 14 /фиг. 3 4/ осуществляются ввод и вывод ДМ 10 через диски 7 /фиг. 2/ из одной трубы в другую/.

Диски 7 могут располагаться на отдельных космических аппаратах, на которых расположены и РД 5 /фиг. 1/, а также все необходимые системы управления двигателем, системы навигации, связи и т.д. Не исключено, в принципе, и иное расположение дисков 7 /или скруглений 4 другого исполнения/. Так, эти концевые элементы могут быть установлены на самолетах, аэростатах, плавучих средствах соответственно, силами компенсации реакций в округлениях будут аэродинамические, аэростатические и архимедовы. Теоретически возможен подъем верхних участков изогнутых труб 1, 2 на высоту, гораздо большую высоты носителей /самолетов, аэростатов и т.д./, так что эти участки могут "выходить в открытый космос" при нахождении концевых частей в атмосфере Земли. То же относится и к высотам орбит различных частей двигателя и связанной с ним конструкции /полезной нагрузки/, когда носителями служат спутники планеты.

Крупноразмерные двигатели согласно изобретению могут создаваться путем сборки в цепочки отдельный модулей, осуществляющих суборбитальный или космический полет вместе с соответствующими транспортными аппаратами, например воздушно-космическими /типа "Шаттл" или "Буран"/. Для энергоснабжения могут использоваться солнечные преобразователи.

Для изменения орбиты центра масс двигателя и поддерживаемой конструкции необходимо соответствующее управление тягой РД 5. Теоретически возможны орбитальные маневры и при специальном изменении положения и/или геометрии масс системы в режиме "гравилета", без РД.

Формула изобретения

1. Способ создания подъемной силы, включающий сообщение по меньшей мере двум цепочкам дискретных масс движения в попарно встречных направлениях вдоль траекторий огибания планеты и передачу возникающих усилий от цепочек к поддерживаемой ими конструкции, отличающийся тем, что движение дискретных масс ограничивают неполными дугами указанных траекторий, попарно сопряженных по концам скругленными участками, вдоль которых осуществляют перевод дискретных масс из одной цепочки в другую путем передачи этим массам реактивной силы тяги.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реактивную силу тяги дискретным массам передают через скругленные части поддерживаемой конструкции, выполненные вдоль указанных скругленных участков траекторий дискретных масс.

3. Двигатель для создания подъемной силы, содержащий параллельные трубы, изогнутые вдоль кольца, описанного вокруг центра притяжения небесного тела, электромагнитные ускорители, установленные в трубах, и размещенные в трубах дискретные массы, взаимодействующие с ускорителями и имеющие возможность перемещения в трубах во взаимно противоположных направлениях, отличающийся тем, что параллельные трубы сопряжены друг с другом по концам с помощью трубчатых участков в форме полуокружностей, снабженных электромагнитными ускорителями дискретных масс, причем на указанных участках установлены поворотные ракетные движители.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что ракетные движители установлены по внешним окружностям трубчатых участков сопряжения параллельных труб.

5. Двигатель по п. 3 или 4, отличающийся тем, что параллельные трубы изогнуты и стянуты вдоль хорд тросами, а в средней их части между трубами и тросами установлена опора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6