Исследование NIAC Магнитного Паруса

Исследование NIAC Магнитного Паруса
Представление Понижения NIAC: 1118199
Основной Исследователь: Роберт Zubrin
Cо-исследователь: Эндрю Martin
Астронавтика Пионера
445 бульваров Союза. Набор #125
Lakewood, CO 80228

Содержание

(Руководство Ветра Конфигурация Nornial Осевая Конфигурация )
Введение

• Работа как Межзвездный Тормоз Миссии
• Magsail Экспериментальная Программа

Введение
• Magsail
— большая петля провода
— производит искусственную магнитосферу
— кабель сверхпроводников> масса мм.> максимальный accel.
Шок Boii
• Солнечный ветер поражает магнитосферу
— плазма отклонена
— передает силу magsail

• Потенциал Magsails
— переместите большие полезные грузы (солнечная система и вне)
— космический корабль decel. от релятивистских скоростей.

Солнечный W inI

Теория Maqsail
• 1. D.G. Andrews и R.M. Zubrin, “Магнитные Паруса и Межзвездное Путешествие,” 39-ый Конгресс Международной Относящейся к астронавтике Федерации, IAF-88-553, Bangelore Индия, октябрь 1988. Изданный в Журнале британского Межпланетного Общества, 1990.
• - Сначала magsail бумага. Результаты модели частицы представлены.
• 2. R. М. Zubrin и 0. Г. Andrews, “Магнитные Паруса и Межпланетное Путешествие,” AIAA-89-2441, AIAAIASME 25-ая Объединенная Конференция Толчка, Monterey, Калифорния, июль 1989. Изданный в Журнале Космического корабля и Ракет, апрель 1991.
• - Представленная плазменная MHD magsail модель, и аналитические методы для того, чтобы вычислить magsail орбиты.
- Самоускорение, ТУСКЛОЕ 0.59 (IP2V4RmIl) 1 ”3 (JIPm)
• 3. S.G. Любовь и 0. Г. Andrews, “Заявления Магнитных Парусов,” IAF 91-245, 42-ой Конгресс Международной Относящейся к астронавтике Федерации, октябрь 1991, Монреаль, Канада.
• - Показал ценность использования magsail как система для ионосферного планетарного aerobraking
• 4. R. Zubrin, “Использование Магнитных Парусов, чтобы Сбежать из Низкой Земной Орбиты,” Журнал британского Межпланетного Общества, издание 46, pp.3-10, 1993.
• - Проанализированный потенциал для magsails, чтобы поднять орбиты, качая против планетарных магнитных полюсов.
Астронавтика Пионера

Введение: Сроки
• - Критическая текущая плотность: максимальный поток сверхпроводник может нести прежде, чем потерять его сверхпроводимость, разделенную на поперечную частную область текущего материала сверхпроводимости переноса, часто нить, вставленная в большем не - матрица сверхпроводимости, тонкая пленка на вершине толстого основания несверхпроводимости или фракции этого. Метод, которым измерен J, является не всегда униформой между лабораториями. Критическая текущая плотность уменьшается очень быстро с увеличивающимися температурами и магнитными полями.
• - Разработка критической текущей плотности: максимальный поток материал сверхпроводимости может нести прежде, чем потерять его сверхпроводимость, разделенную на полную поперечную частную область провода, ленты, или структуры интереса.
Астронавтика Пионера

Торговое Исследование Сверхпроводника
• Необходимые Сверхпроводники
— больший поток на единицу массы, также сохраните энергию
— e (большая часть - провод, основание, изоляция, и т.д.) <<J (мелкий масштаб - кристалл)
— WantJe> 109A/m2, p <8x109 кг/м3

• Лучше всего Коммерческий Высокий Температурный Провод Сверхпроводимости - ТЕПЕРЬ
— Окись Меди Кальция Стронция Бария (BSCCO)
— Матрица Mostly Ag, 9 X 1O kglm3
— BestJe = 1.12 x 1O8AIm2 @77 K (в среднем. в 100 + провода, L> 200 m)
— BestJe=2.3x108A1m2 @77K (L=lOcm))

• Обещающий Исследование YBCO
— Негашёная известь Меди Бария Иттрия (YBCO)
— Тонкая пленка на Основании - (Yb2O3IY2O3INi, и т.д.)
— BestJ = 3X1O10AIm2@77K (thinfilm, Je6X1O8AIm2@77K)
— Лучше всего J = 1011 AIm2 @77 K (Единственный Кристалл)

Астронавтика Пионера

Торговое Исследование Сверхпроводника: Предсказания для Сверхпроводников

Джон Cerulli
100.
(Американский Сверхпроводник)
9o
— предсказывает продвижение коммерческих 80
провод, чтобы следовать за тенденцией, Malozemoff’s 7o
/
/
Закон 4-
6O-
‘1
7-
Экстраполируйте 77 K 1::: °
/ ‘1
4O/1
“Я
= 1.76x108 Aim2 в 2005, g30
= 2.1x108 Aim2 в 2010, /
C)/1
= 2.4x108 Aim2 в 2015 ‘Ло
/
Я,
0 Я - Я Я
поскольку BSCCO телеграфирует> 100 м. '90' 91 '92' 93 '94' 95 '96' 97
Закон Malozemoff’s для висмута BSCCO 2223
Лучше всего e = 2.3 x lO8Aim2 - (провода на 10 см) (Cerulli)
Другие материалы HTS могли привести к Астронавтике Пионера
большая работа

Торговое Исследование Сверхпроводника: Предсказания для Сверхпроводников

Декан Peterson!

(Технология Сверхпроводимости. Центр, LANL)

Предсказанная Критическая Текущая Плотность против Времени

цирконий 1. OOE+10 E
. 1. OOE+09
1. OOE+08

2015 2010 2005 2000 2020
Год

в тонких лентах и проводах 77 K

LANL сделал толстопленочную ленту YBCO

Предсказания, Сравненные для Двух Различных Типов Провода Сверхпроводимости

1. OOE + 11

— Размышляет:
учитывая адекватное финансирование и продолжал продвижение, “.. не будет неблагоразумно” достигнуть a
e 10 Aim2 через 5 лет,
e 1010 AIm2 через 10 лет,
e 1011 AIm2 через 15-20 лет

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ ЩУПОВ:
BS000
Висмут 2223
—LANL:
YBCO
тонкая пленка

= 1.2 xlO’ °A1m2 L=lm (планирует 10 m)

Астронавтика Пионера

Системы Magsail: Конфигурация Катушки
Водители Проекта Катушки

• e увеличивается как Временный секретарь. уменьшения
— Минимизируйте Временного секретаря катушки.
• Понижают поток - более легкая зарядка
— Используйте многократные катушки
• Работа увеличивается как Масса
уменьшения
— Минимизируйте Массу
Главная катушка
• Многократные Петли
провод сверхпроводимости
• Клин MLI
• покрытие Посеребренного тефлона
• Whiteepoxy краска

Ag-тефлон

10 степеней

Поперечное сечение сверхпроводимости телеграфирует провод петли

Астронавтика Пионера

Системы Magsail: Конфигурация Катушки

• квадратный провод поперечного сечения
— непринужденность изготовления • MLI смоделированный
— компактный размер. — как несколько слоев 1 мм толщиной.
• максимальные определенные температуры — Энергия, проводимая = Энергия
от Теплового Транспортного излученного Eqn.s
• Ag-тефлон 305.8 K — Закон Используемого Fick’s (Lockheed
Корреляция)
— излучать всю солнечную энергию
— фактор формы, ASf к счетам
• Перед возрастами Ag-тефлона (9 месяцев нагревают потерю через стороны
к 4 годам),
— Будет более холодным — (k T) IAX = GBCA T4
научная фантастика MLI bor
Астронавтика Пионера

Системы Magsail: Текущая Инъекция

• Система Инъекции (Три Набора)
— Солнечный (или AMTEC) источник власти
— Линии электропитания
— Диспетчеры власти
• Заштрихованный солнечными множествами в оправе
• кабель Сверхпроводимости wI много маленьких проводов
— уменьшает полный необходимый поток.

• самоиндуктивность Петли (для Op. M)
— L = (СВИНЕЦ coi/1 = n (СВИНЕЦ одна петля =.trjHRfl2I2
— (R=2 x 10 м., B=p0nl12R, n = # 01 tot.current = nI, переплетают поток = I), dlldt =-(EMFIL)
• 20-километровый радиус magsail
— L1.105x104 H
— Постоянная ЭДС = 3.858 V
— dlldt = 3.491 x 10 AIs.

• После Краев
— Солнечный приведенный в действие эксплуатационный magsail - 15.82 V, 622.8 W
— AMTEC приводил эксплуатационный magsail в действие - 8.10 V, 319.0 W.

Астронавтика Пионера

Власть Раздуть в:	1 час	24 часа
Демонстратор Magsail	58.6 мВт	2.44 мВт
Эксплуатационный Magsail	1.40 кВт	58.2 W

Системы Magsail:

Текущая Диаграмма Инъекции

Текущая Инъекция

Magsail Ло

Низкая Линия электропередачи
Солнечное Множество или AMTEC с Sunshield

Астронавтика Пионера

Системы Magsail: Линии Савана

• Прилагают Полезный груз и Системы управления, чтобы Намотать
• не поднимают напряжение от Катушки
• Худшее напряжение на линиях савана от движущегося центра массы, чтобы управлять отношением
— 2.0 км через час один-> 0.556 ми. KEmax = 6.697 kJ, F = 6.70 N (1.51 lbf)
Использование “Hoytethers” - Неограниченные Привязи
• сделанный из Спектров 2000
• ожидаемые сроки службы нескольких десятилетий
• 1 820 г в длину на 10 300 м.
Астронавтика Пионера

Системы Magsail: Развертывание Magsail

• Сверхпроводимость magsail поток мог развернуть кабель магнитными усилиями обруча
• Магнитное время развертывания, T = sqrt (2RmIa) и = (nlfjlamefltBm) я (MasslCircum
— <<продолжительность работы обвинения
Но
Magsail не будет сверхпроводимостью, пока это не будет развернуто и должным образом ориентировано
• Мог использовать Нормальный поток
— Эксплуатационный Magsail, постоянная масса катушки, 69 % Ag
— Км R=20, P = 10 кВт, 529 катушек
— ‘сеть = 4.66 A, T = 1.58 x 106s (438 часов)
—> Слишком долго
— Км R=2, P = 10 кВт, 5290 катушек
— ‘сеть = 46.6 A, T = 4.98 x 1O s (13.8 часов)
->, Но это теряет работу!
SeIf-accel. понижается Астронавтикой Пионера 4.6 x

Системы Magsail: Развертывание Magsail

• Использование, Вращающее Бум или другие антимагнитные системы развертывания.
----> Надежное Развертывание - Ключевой вопрос для Magsails!
Астронавтика Пионера

Сверхпроводимость ShuntlBypass

Системы Magsail: Распределенное Понятие власти

Шатание кабеля Magsail (провод и MLI)

Власть

К Центральному

Привязь
Линия
Шатание
Солнечное Множество или с sunshield (сторона основания)

Охлаждение Ребер

Петля Magsail

Узел Связи Magsail: включая электропитание, контроль за властью, инъекция власти, наматывает шпульки развертывания, и узел приложения привязи.

Астронавтика Пионера

Magsail Проектирует

• Радиус, Комната
— 200 м. - Демонстратор
— 20 км - В ближайшем будущем "Эксплуатационный"

Температура и e
— Демонстратор e 2 x оценивает 77 K
— Передовые провода (YBCO, и т.д.)
• выше повсюду e’
• та же самая тенденция в e против. T (принятый)

Техническая Текущая Плотность против Температуры Для BSCCO (Чешуйчатый Относительно Je в 77 K)

3.00
2.80
2.60
2.40
я.. 2.20
2.00
1.80
w
1.60
1.40
1.20

1.00

Техническая Текущая Плотность против Температуры Для BSCCO (Чешуйчатый Относительно Je в 77 K)

• Магнитное поле, Bm
— 3.25 к 10.00 x 10 T>> 5.18 x 108 T
— избегает солнечного ветра “удар через”
• Песок Инженера. Плотность Gurrent, e
— Демонстрационный пример - в длинах на 10 см
— Операция - еще доступный
• Magsail SeIf-Accel.
— ТУСКНЕЙТЕ 0.59 (IP2V4RmIl) 1 ”3 (JIPm)

X Гвен
• полученный
• Extrapobted
— - - — - Ниже Ограничивают Верхний Linit

50 55 60 65 70 75 80
Ke lv ins

Астронавтика Пионера

Работа Magsail: Определения

• - эффективная фракционная привлекательность Солнца в солнечном gravities
в Постоянном oc:
-cLI2a=v212-cLIR
• Отношение Веса - полная масса системы я наматываю массу
• Отношение Полезного груза - грузовая масса я разгрузил magsail массу
Астронавтика Пионера

Magsail Проектирует:

Проект Демонстратора

Провод:
• Наматывают Температуру:
• Текущая плотность, Je:
• Поток в нить:
• Магнитное поле, Bm
• Радиус, Комната

63.9 K (Макс)
4.56 x 108 AIm2
4.60 A
3.25 x 10-6 T
2. OOxlO2m

(225 нитей.1 мм x.1 мм)

М. LI:
• MLI ширина:
• MLI толщина:

2.04 мм - 6.62 мм
13.0 мм

(мм - Макс)

Работа:

• Наматывают Массу:
• OtherSIC Масса:
• Полезный груз:
• Отношение Веса:
• Отношение Полезного груза:
• Самоускорение:
• Апоапсида:

25.70 кг
64.3 кг
10.0 кг
3.90
0.111
0.000305 mIs2
1.0267 AU

(без полезного груза)
(Полная масса системы! намотайте массу) (грузовая масса! разгруженная magsail масса)
(@Constant a)

Астронавтика Пионера

Magsail Проектирует:

Эксплуатационный Проект

Провод:
• Наматывают Температуру
• Текущая плотность, Je:
• Поток в нить:
• Магнитное поле, Bm
• Напряжение Катушки:
• Радиус, Комната

60.2 K (Макс)
2.27 x 10 Aim2
30.17 A
5.01 x 10 T
1.51 Mpa
2.00 xlO4m

(529 нитей.1 мм x.1 мм)

М. LI:
• MLI ширина:
• MLI толщина:

3.58 мм - 9.93 мм
18.0 мм

(мм - Макс)

Работа:
• Наматывают Массу:
• OtherSIC Масса:
• Полезный груз:
• Отношение Веса:
• Отношение Полезного груза:
• Самоускорение:
• Апоапсида:

7.060x 10 кг
3.780 x 10 кг
1.096x 10 кг
3.09 (Марс)
1.011 (Марс)
3.185 x 10 mis2
1.5237 AU

(без полезного груза)
(К Марсу)
(Полная система massltotal наматывает массу),
(грузовая масса! разгруженная magsail масса)
(@Constant a)

Астронавтика Пионера

Magsail Проектирует: Окончательная Работа Magsail

• Мог в конечном счете повыситься выше 2.27 x 1011 AIm2 60.2 K
• Кабельная Массовая плотность Мог в конечном счете упасть ниже 7 x 10 kglm3
Когда вместе с вероятными авансами в других системах:
Окончательный AMTEC Magsail: Полезный груз Против Расстояния: 9.801 x 1O кг, км Rm20

Астронавтика Пионера

Предназначение	Расстояние (AU)	Полезный груз от Земли (кг)	Отношение полезного груза Постоянный a
Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон Пояс Kuiper Облако Орта	1.524 5.203 9.539 19.191 30.061 39.469 1 000 10 000	4.600x 10 1.901 x 10 1.706x 10 1.605x 10 1.572x 10 1.559 x 10 1.518 x 10 1.517x 10	46.9269 19.3928 17.4026 16.3788 16.0401 15.9008 15.4897 15.4749

Максимизирование Работы: Режимы работы

• Constant Alpha
— Low performance
• easiest to calculate
• Constant Current
— Low performance
• Maximum Current
— Medium performance
• e increases as Temp. drops away from Sun
• Orbit Pumping
— Very High Performance
• Magsail turned off during Sunward portion of orbit
• Modified Orbit Pumping
— Very High Performance
• Magsail turned off during Sunward portion of orbit
• Magsail turned off at preset velocityldistance until minimum perihelion reached
• Trades off Aphelion distance for Speed

• Constant Alpha
— Низкая работа
• самый легкий вычислить
• Постоянный Поток
— Низкая работа
• Максимальный Поток
— Средняя работа
• e увеличивается как Временный секретарь. уменьшается от Солнца
• Перекачка Орбиты
— Очень Высокая эффективность
• Magsail выключенный во время Направленной к Солнцу части орбиты
• Измененная Перекачка Орбиты
— Очень Высокая эффективность
• Magsail выключенный во время Направленной к Солнцу части орбиты
• Magsail выключенный в заданном velocityldistance, пока минимальный перигелий не достиг
• Отрасли от расстояния Афелия для Скорости

Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Моделирования Орбиты

Orbit Simulations
• Iteratively calculated by computer code
• Refinements Implemented (vs. previous Constant Alpha calculations)
— Solar wind speed reduced to 480 mIs
— Accounted for:
• Magsail relative motion
• Changing temperatures
• Solar wind densities
• Assumed Baseline e @ 77 K
— 2.30 x 108 AIm2 - demonstrator magsail
— 10 Aim2 — ‘Operational’ magsail,
— 1011 AIm2 — advanced magsail
— inverse relationship of e vs T same as for commercial
— payload ratio = 1.0
— Plotted Represenative Cases
• Const. I, Max. I, Max I - Pumped

Моделирования Орбиты
• Многократно вычисленный машинным кодом
• Осуществленные Обработки (против предыдущих вычислений Constant Alpha)
— Солнечная скорость ветра уменьшала до 480 ми
— Составляемый:
• Magsail относительное движение
• Изменяющиеся температуры
• Солнечные удельные веса ветра
• Принятое Основание e 77 K
— 2.30 x 108 AIm2 - демонстратор magsail
— 10 Aim2 — 'Эксплуатационный' magsail,
— 1011 AIm2 — продвинули magsail
— обратные отношения e против T то же самое что касается коммерческого
— отношение полезного груза = 1.0
— Подготовленные Случаи Represenative
• Константа. Я, максимальный. Я, Макс I - Накачанный

Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Орбита для Constant Alpha

2 - 15 4-05 0 0.5 XPos.ticn A.Up

1 15 2

• Эксплуатационный Magsail
— Constant Alpha
— Никакая Перекачка Орбиты
— Отношение полезного груза = 1.0
• Орбита
— periapsis = 1.000
— апоапсида = 1.484 AU

ct.rni I-eaoctic Moicn 2
15
05
0
-0.5
-1 5

Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Орбита для Максимального Потока

Эксплуатационный Magsail

.1 -

— Переменная a
— Максимальный. Поток
— Никакая Перекачка Орбиты
— Отношение полезного груза = 1.0
• Орбита
— periapsis = 1.000
• увеличивается со временем
— апоапсида = 1.614 AU (Макс)
• уменьшается со временем
— Предналоги

05
0
5
—I

Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Орбита для Максимального Потока - Накачанный

• Эксплуатационный Magsail
— Постоянный a
— Орбита, Качающая 4
— Отношение полезного груза = 1.0
2
• Орбита
— ми periapsis = 0.5457
— апоапсида = 00
.4—F
X-P*on (AJI
Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Скорость Против Сравненной Скорости

• Эксплуатационный Magsail
— Максимальный Поток
• Не Накачанный
• Накачанный
• Измененная Перекачка
— Payloadratio=1. O
• Накачанные Орбиты
— finalvelocity-5AUIyr
— заключительная апоапсида = 00
• Мог достигнуть близости завершения
shocklheliopause 100 Au через 30 лет

f—Uairnwn
I — M.im., n Cwv.1 iP.s, *di
I — Menmwn Cireil Modlied Pwi.i 1
-
10 12 14 16 ia 20
Tqni (Ysj

Астронавтика Пионера

Максимизирование Работы: Отношение Полезного груза Против Апоапсиды

4
3.5
a) 3
C.)
C
4-’
. 2.5
0
0 2
0.
0
1.5
Я

Отношение Полезного груза Против Расстояния Апоапсиды для Эксплуатационного Magsail
Constant Alpha
D Макс Current
1-ый Насос
• 2-ой Насос
—. - 3-ий Насос
—.---4-ый Насос

Отношение Полезного груза

0 Я 2 3 4

Астронавтика Пионера

Работа как Межзвездный Тормоз

Starship (Увеличенный Эксплуатационный)

Увеличенный Эксплуатационный Magsail

0 60 120 180 240 300 360 раз (дни)
Starship (Передовой Magsail)

Скорость—Starship (% C)
— Deci-Gees (O.lgs) Accel.

Межзвездный Тормоз Миссии:
Временный секретарь. = 2.7 K
Масса Полезного груза = 10 кг
Радиус =100 км

Скорость—Starship (% C)
— Centi-Gees (.Olgs) Accel.

100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
100.00
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00

— Проводная плотность 8 x 1O kglm3
— Je=1O9AIm2 @77K
— 0.950 c к 0.582 c через 800 дней
Передовой Magsail
— Проводная плотность 7 x 1O kglm3
— Je =1011 AIm2 77 K
— 0.950 c к 0.0056 c через 800 дней

0 60 120 180 240 300 360 раз (дни)

Астронавтика Пионера

Magsail Экспериментальная Программа:

Поведение проверяет с Проводом Сверхпроводимости
Изготовьте мультипереплетенные magsail кабели от проводных берегов и MLI
• сокращают большую сверхпроводимость wiresltapes в надлежащий размер
• обязательство вместе 0.1-миллиметровые квадратные провода сверхпроводимости
• сравнивают высокую температуру, соединяющуюся против пластырей.
• проверяют на механические свойства
• проверяют на e
• утверждают способность использовать мультипереплетенный провод для многократной катушки magsails
Моделируйте системы развертывания
Испытательные системы развертывания
• 2-ой-airtable
• 3 D - KC-1 35 Астронавтики Пионера

Заключения

Magsails!
• Может поставить большие полезные грузы в Солнечной системе без движущей силы
• Повторно используемый
• Может открыть окна запуска, добавляя гибкость к орбитам Keplerian
• Может замедлить межзвездный космический корабль от релятивистской скорости без движущей силы
• Краткосрочные сверхпроводники может позволить полезный magsail - и область продвигается
Время, чтобы начать проектировать magsails Теперь!
Астронавтика Пионера