The Magnetic Sail
Final Report to the NASA Institute of Advanced Concepts (NIAC)
January 7, 2000
Principal Investigator: Robert Zubrin
Co-Investigator: Andrew Martin
Pioneer Astronautics
445 Union Blvd. Suite #125
Lakewood, CO 80228
303-980-0890

Магнитная парус
Окончательный доклад НАСА Института перспективных концепций (NIAC)
7 января 2000
Главный исследователь: Роберт Зубрин
Соруководитель: Эндрю Мартин
Pioneer астронавтики
445 Союз бул. Suite # 125
Лейквуде, CO 80228
303-980-0890

Table of Contents:
4. Introduction:
5 Magsail Theory
5 The magsail operating in a plasma wind
8 Magsail orbits in heliocentric space
11. The magsail as an interstellar brake
12 The Phase I Study
13 Superconductor Trade Study:
13 Terms
14 Superconducting Wire Density
14 Superconducting Critical Temperature and Current Densities
14 Lo Temperature Superconductors
15 High Temperature Superconductors
17 Superconducting Technology: What Can We Expect?
18 Malozemoff’s Lax for BSCCO Bi-2223
19 ritical Current Density Predictions
21 Conclusions of Superconductor Trade Study
23 Magsail Systems Design:
23 Baseline Magsail Designs
23 Coil Geometry — descnption of coil cross-section shape and configuration
23 Introduction
23 able Geometry
25 Calculating MU Areas
25 Thermal Transport Equations
26 Thermal Analysis Result
26 Calculated Wire Temperature
26 urrent To Coil Mass Ratio
27 Additional Limitations, Concerns and Comments
28 Primary Power Trade Study — analysis of poxer options to energize main coil
28 Introduction
29 Power Densities
29 Primary Poxer System
29 Power Densities at 1 AU
29 Conclusion

Содержание:
4. Введение:
5 Теория Magsail
5 Magsail действующих в плазме ветер
8 Magsail на гелиоцентрической орбите космических
11. Magsail как межзвездной тормоз
12 Фазы Я Исследование
13 Сверхпроводник торговли Исследование:
13 Условия
14 Сверхпроводящей проволоки Плотность
14 Сверхпроводящей критической температуры и плотности тока
14 Lo сверхпроводники
15 Высокотемпературных сверхпроводников
17 Сверхпроводящих технологий: Что мы можем ожидать?
18 Malozemoff's Лакса для BSCCO Bi-2223
19 ritical Текущие магия Плотность
21 Выводы исследования сверхпроводников Торговля
23 Magsail Systems Design:
23 Базовый Magsail образцов
23 Катушка геометрия -- descnption из катушки сечении форму и конфигурацию
23 Введение
23 возможности геометрии
25 Расчет MU районам
25 Тепловая уравнения переноса
26 Тепловая анализ результатов
26 Расчетная температура проволоки
26 Для urrent Coil массе
27 Дополнительные ограничения, проблемы и комментарии
28 Первичные исследования торговли электроэнергией -- Анализ poxer варианты активизации основной катушки
28 Введение
29 Плотности мощности
29 Первичная система Poxer
29 Плотность мощности на 1 а.е.
29 Заключение

30. Current Injection
30 Configuration
32 Operation
3 1 onnection to Power System
33 Shroud lines
34 Deployment of Magsails in a Non-Superconducting State via Magnetic Forces
36 Magsail Deployment Diagrams
37 Shroud line and Magsail line spools
37 Connection Node Diagram
38 Magsail Designs:
38 Introduction
38 Temperature and J
39 Estimated J, Vs T for BSCCO Wire
39 Wire Density
40 Magsail Demonstrator Designs
40 Magsail Demonstrator — small solar powered technology demonstration design
4 1 Magsail Demonstrator Data
43 Optimized Operational Magsail Designs — optimized for Earth-Mars travel
44 Operational Magsail Data
47 Ultimate Magsail Performance
47 Ultimate Magsail Payload Vs Distance
48 Magsail Orbit Simulations
49 Operational Magsails with Payload Ratio = 1.0:
49 Orbit (Constant Alpha)
50 Orbit (Maximum CuiTent)
5 1 Time vs Distance (Maximum Current)
52 Orbit (Maximum Current, Pumped)
53 Time vs Distance (Maximum Current, Pumped)
54 Orbit (Maximum CuiTent, Modified Pumping)
55 Time vs Distance ( Max CuiTent, Modified Pumping)
56 Tune vs Average Speed (for Previous Three Maximum Current Cases)
57 Distance vs Average Speed (for Previous Three Maxunum CuiTent Cases)
58 Payload Ratio vs Apoapsis Distance for Operational Magsail (pumped vs non-pumped
Cases)

30. Текущие Инъекции
30 Конфигурация
32 Операция
3 1 onnection к энергосистеме
33 Плащаница линия
34 Развертывание Magsails в несверхпроводящей государство через магнитные силы
36 Magsail диаграммы развертывания
37 Строп и Magsail катушки линия
37 Узле связи диаграмма
38 Magsail Проекты:
38 Введение
38 Температура и J
39 Сметная J, Vs Т для BSCCO Wire
39 Проволока Плотность
40 Magsail демонстратор образцов
40 Magsail Демонстратор -- малые питанием от солнечных батарей технологии проектирования демонстрация
4 1 Magsail демонстратор данных
43 Оптимизированный Оперативная Magsail образцов -- оптимизирован для Земля-Марс путешествия
44 Оперативные данные Magsail
47 Ultimate Magsail Производительность
47 Ultimate Magsail Деструктивная Vs Расстояние
48 Magsail Orbit Моделирование
49 Оперативная Magsails грузоподъемностью соотношение = 1.0:
49 Орбита (Constant "Альфа")
50 Орбита (максимальная CuiTent)
5 1 Время С. Расстояние (Максимальный ток)
52 Orbit (Максимальный ток, накачка)
53 Время В.С. расстояние (Максимальный ток, накачка)
54 Орбита (максимальная CuiTent, Modified накачка)
55 Время С. Расстояние ( Макс CuiTent, Modified накачка)
56 Tune Vs средняя скорость (за предыдущие три Максимальный текущими делами)
57 Расстояние С. Средняя скорость (за предыдущие три Maxunum CuiTent Cases)
58 Деструктивная соотношение В.С. Апогей Расстояние по оперативной Magsail (накачкой или не-накачкой
Дела)

2

2

59 Orbit of Demonstrator Magsail (Maximum Current, Pumped)
60 Time vs Distance of Demonstrator Magsail (Maximum Current, Pumped
61 Operation in Solar Wind Environment
6 1 treamlines in the Helio sphere
62 Streamlines in the Heliosphere — Closeup
63 Time vs Distance of Advanced Magsail — Assuming 100 AU Termination Shock
64 Time vs Average Speed of Advanced Magsail — Assuming 100 AU Termination Shock
65 Noimal Interaction with Solar xund
66 Voyager 2 Solar Wind Density and Speed
67 Solar Wind Average Speed Vs Heliographic Latitude (Ulysses)
68 Solar Wind Average Speed Vs Helioaphic Latitude (Ulvsses/Soops)
68 Interaction with Solar Flares
69 Solar Wind Pressure Compared to Magsail Magnetic Pressure
70 Transient Operation Near Sun
71 The Magsail as an Interstellar Mission Brake
71 Performance of Near-Term Interstellar Mission Brake
72 Performance of Highly Advanced Interstellar Mission Brake
72 Proposed Magsail Experimental Program
73 Conclusions
74 References

59 Orbit демонстратора Magsail (Максимальный ток, накачка)
60 Время С. Расстояние демонстратора Magsail (Максимальный ток, накачивали
61 Операции в Солнечный Ветер окружающей среды
6 1 treamlines в сфере Helio
62 Тока в гелиосферы -- Closeup
63 Время С. Расстояние перспективных Magsail -- При условии 100-АС Прекращение Shock
64 Время С. Средняя скорость расширенный Magsail -- При условии 100-АС Прекращение Shock
65 Noimal взаимодействия с солнечной xund
66 Вояджер-2 "Солнечный Ветер плотности и скорости
67 Солнечный Ветер Средняя скорость Vs гелиографических Широта ( "Улисс")
68 Солнечный Ветер Средняя скорость Vs Helioaphic Широта (Ulvsses / Soops)
68 Взаимодействие со вспышками на Солнце
69 Давление солнечного ветра по сравнению с Magsail магнитное давление
70 Переходные операцию у Вс
71 Magsail как межзвездной миссии тормозные
71 Выполнение ближайшем Межзвездный Миссия тормозные
72 Выполнение самых передовых Межзвездный Миссия тормозные
72 Предлагаемый Magsail экспериментальной программы
73 Выводы
74 Список литературы

3

3

Introduction:

Введение:

The magnetic sail 1’2’3’4’’6’7or magsail, is a device which can be used to accelerate or decelerate a spacecraft by using a magnetic field to accelerate/deflect the plasma naturally found in the solar wind and interstellar medium. Its principle of operation is as follows:
A loop of superconducting cable perhaps tens of kilometers in diameter is stored on a drum attached to a payload spacecraft. When the time comes for operation, the cable is played out and a current is initiated in the loop. This current once initiated, will be maintained indefinitely in the superconductor without further power. The magnetic field created by the current will impart a hoop stress to the loop aiding the deployment and eventually forcing it to a rigid circular shape. The loop operates at low field strengths, typically 0.000 1 Tesla, so little structural strengthening is required. The loop can be positioned with its dipole axis at any angle with respect to the plasma wind, with the two extreme cases examined for analytical purposes being the axial configuration, in which the dipole axis is parallel to the wind, and the normal configuration, in which the dipole axis is perpendicular to the wind. A magsail with payload is depicted in Fig. 1.

Магнитного magsail 1'2'3'4''6'7or парус, это устройство, которое может быть использовано для ускорения или замедления космических аппаратов с помощью магнитного поля, чтобы ускорить / отвлечь плазмы в естественных условиях в солнечного ветра и межзвездной среды . Принцип ее действия заключается в следующем:
Петля сверхпроводящего кабеля, возможно, десятков километров в диаметре хранится на барабане при полезной нагрузки космического аппарата. Когда придет время для работы, кабель разыгрывается и текущий начинается в цикле. Нынешний раз начата, будет сохраняться неопределенно долго в сверхпроводнике без дополнительной энергии. Магнитного поля, создаваемого тока будет распространять Хооп стресс цикла пособничество развертывания и в конечном итоге заставить его жесткой круглую форму. ШС при низких сильным полем, как правило, 0,000 1 Тесла, требуется так мало структурное укрепление. Петля может быть расположена с дипольной оси под любым углом по отношению к плазме ветер, с двух крайних случаев, рассмотренных в аналитических целях является осевая конфигурация, в которой оси диполя параллельно ветру, и нормальной конфигурации, в которого дипольный ось перпендикулярна к ветру. Magsail грузоподъемностью изображен на рис. 1.

Обычную конфигурацию Осевой Конфигурация
Направление ветра

Figure 1. Magsail deployed with payload
In operation, charged particles entering the field are deflected according to the B- field they experience, thus imparting momentum to the loop. If a net plasma wind, such as the solar wind, exists relative to the spacecraft, the magsail loop will always create drag, and thus accelerate the spacecraft in the direction of the relative wind. The solar wind in the vicinity of the Earth is a flux of several million protons and electrons per cubic meter at a velocity of 400 to 600 km/s. This can be used to accelerate a spacecraft radially away from the sun and the maximum speed available would be that of the solar wind itself. While inadequate for interstellar missions, these velocities are certainly more than adequate for interplanetary missions.
However if the magsail spacecraft has somehow been accelerated to a relevant interstellar velocity, for example by a fusion rocket or a laser-pushed lightsail, the magsail can be used to create drag against the static interstellar medium, and thus act as an effective braking device. The ability to slow spacecraft from relativistic to

Рисунок 1. Magsail развернуты с полезной нагрузкой
В эксплуатации, заряженные частицы, входящие в область отклоняется в соответствии с Б-полем они испытывают, тем самым придавая импульс цикла. Если чистый ветер плазмы, такими как солнечный ветер, существует по отношению к КА, magsail петля всегда будет создавать сопротивление, и тем самым ускорить корабля в направлении относительного ветра. Солнечного ветра в окрестностях Земли поток в несколько миллионов протонов и электронов на кубический метр при скорости от 400 до 600 км / с Это может быть использован для ускорения космических аппаратов радиально в направлении от Солнца и максимальная скорость доступна будет то, что солнечный ветер сам. Хотя неадекватный для межзвездных миссий, эти скорости, безусловно, более чем достаточно для межпланетных миссий.
Однако, если magsail корабль как-то был ускорен к соответствующему межзвездной скорости, например, путем слияния или ракету лазерный толкнул lightsail, magsail могут быть использованы для создания сопротивление против статического межзвездной средой, и, таким образом действовать в качестве эффективного тормозное устройство . Способность замедлять корабль из релятивистских к

4

4

interplanetary velocities without the use of rocket propellant results in a dramatic lowering of both rocket mass ratio and the mission time.
If the magsail is utilized in a non-axial configuration, symmetry is destroyed and it becomes possible for the magsail to generate a force perpendicular to the wind, i.e. lift. Lift can be used to alter the magsail spacecraft’s angular momentum about the sun, thus greatly increasing the repertoire of possible maneuvers. In addition, lift can be used to provide steering ability to a decelerating relativistic interstellar spacecraft.
The magsail as currently conceived depends on operating the superconducting loop at high current densities at ambient temperatures. In interstellar space, ambient is 2.7 degrees K, where current low temperature superconductors NbTi and Nb3Sn have critical currents (depending upon temperature and local magnetic field) of approximately 1.OxlO’° and 2.OxlO’° Amps/m2 respectively. In interplanetary space, where ambient temperatures are above the critical temperatures of low temperature superconductors, these materials would require expensive and heavy refrigeration systems However the new high temperature superconductors such as YBa2Cu3O7 have demonstrated comparable critical currents in microscopic samples at temperatures of 77 K or more8, which would make them maintainable in interplanetary space using simple multi-layer insulation and highly reflective coatings. Assuming that this performance will someday be realizable in bulk cable, we can parameterize the problem of estimating potential magsail performance by assuming the availability of a high temperature superconducting cable with a critical current of 1010 Amps/m2, i.e. equal to that of NbTi. Because the magnets are operating in an ambient environment below their critical temperature, no substrate material beyond that required for mechanical support is needed. Assuming a fixed magnet density of 5000 kg/m3 (copper oxide), such a magnet would have a current to mass density (i/pm) of 2. Ox 106 Amp-m/kg.
By interacting with the Earth’s magnetic poles, the magsail can generate sufficient force to allow it to drive both itself and a substantial payload up to escape velocity via a series of perigee kicks. Once escape has been reached, the magsail will find itself in interplanetary space where the solar wind is available to enable further propulsion. Such maneuvers are discussed in reference 13. In this report, however, we shall limit ourselves to discussing the operation of the magsail in a plasma wind. Such operations enable both maneuvering in heliocentric space and deceleration of ultra-high velocity interstellar spacecraft without the use of propellant. It also provides an option for lowering the orbit of a spacecraft by creating drag against a planetary ionosphere.
Masai1 Theory
The Magsail Operating In A Plasma Wind
Two alternative methods have been used to analyze the performance of the magsail in a plasma wind. In the first, the particle method, the solar wind was viewed as an aggregation of particles each interacting individually with the vacuum magnetic field of the magsail. The magsail was first analyzed by Andrews and Zubrin in 1988 using this
5

межпланетной скорости без использования результатов ракетного топлива в драматическом снижении соотношения как ракета массой и миссия время.
Если magsail используется в не-осевой конфигурации, симметрия разрушается и становится возможным для magsail для прикладывания силы перпендикулярно к ветру, то есть лифт. Лифт может быть использована для изменения момента импульса magsail космического аппарата вокруг Солнца, тем самым значительно увеличивая арсенал возможных маневров. Кроме того, лифт может быть использован для обеспечения руля способности замедлении релятивистских межзвездных космических кораблей.
Magsail в его нынешнем виде, зависит от операционных сверхпроводящих петлю на высокой плотности тока при комнатной температуре. В межзвездном пространстве, окружающем является 2,7 ° К, где нынешний низкий сверхпроводников и NbTi Nb3Sn имеют критических токов (в зависимости от температуры и локальное магнитное поле) примерно ° 1.OxlO 'и ° Amps/m2 2.OxlO' соответственно. В межпланетном пространстве, где температура окружающей среды выше критической температуры сверхпроводников низких температур, эти материалы будут требуются дорогостоящие и тяжелые системы охлаждения Однако новый высокотемпературных сверхпроводников таких как YBa2Cu3O7 продемонстрировали сопоставимые критических токов в микроскопических образцов при температуре 77 К или more8 , которая сделала бы их сопровождение в межпланетном пространстве, используя простые многослойной изоляции и высокой отражающей способностью покрытия. Предполагая, что эта производительность будет когда-нибудь, реализуемой в части кабеля, мы можем параметризации задача оценки потенциальной magsail исполнении при условии наличия высокой температуры сверхпроводящего кабеля с критическим током 1010 Amps/m2, т. е. равной NbTi. Поскольку магниты работают при температуре окружающего окружающей среды ниже их критической температуры, без подложки за что необходимо, необходимые для механической поддержки. Предполагая фиксированной плотности магнит 5000 кг/м3 (оксид меди), например, магнит будет иметь ток плотностью массы (I / PM) 2. Ох 106 Amp-m/kg.
Взаимодействуя с магнитных полюсов Земли, magsail может генерировать достаточные силы, чтобы позволить ему диска и себя, и существенные полезной нагрузкой до второй космической скорости через серию перигей ногами. После побега не было достигнуто, magsail окажется в межпланетном пространстве, где солнечный ветер, с помощью которых дальнейшее движение. Такие маневры, обсуждаются в ссылку 13. В этом докладе, однако, мы ограничимся обсуждением функционирования magsail в плазме ветра. Такие операции позволяют как маневрирование на гелиоцентрической пространстве и замедления ультра-высоких скоростей межзвездных кораблей без использования топлива. Она предоставляет также возможность для снижения орбиты космического аппарата, создавая сопротивление против планетарной ионосферы.
Теория Masai1
Magsail Операционная В плазме Ветер
Две альтернативные методы были использованы для анализа производительности magsail в плазме ветра. Во-первых, метод частиц, солнечного ветра рассматривалось как агрегация частиц, каждой индивидуальной взаимодействующего с вакуума магнитным полем magsail. Magsail впервые была проанализирована Эндрюс и Зубрин в 1988 году использование этого
5

model, and the results of that study are reported in reference 1. In the second model, the solar wind is viewed as a plasma fluid creating a supersonic shock as it impinges upon the magnetosphere of the magsail, much as occurs in the case of the interaction between the Earth’s geomagnetic field and the solar wind. This second, plasma, model is probably a closer reflection of the actual behavior of the magsail. We will restrict ourselves to the plasma model in the presentation below. However because the ion cyclotron radius in the outer region of the magsail’s magnetosphere (about 100 km) is comparable to the overall dimensions of that magnetosphere, the particle model has a certain amount of validity as well. The truth, no doubt, will be found somewhere between the two. Fortunately, the answers given by the two approaches are not at great variance.
Plasma Fluid Model
In the plasma fluid model, the magsail is approximated by a dipole field (or a collection of dipoles) compressed within a boundary created by a perfectly conducting plasma wind. Within the boundary, there is magnetic field but no significant plasma pressure; outside the boundary there is a plasma stream with significant dynamic pressure (q = pV /2) but no magnetic field. The boundary is taken to be the surface in space at which the magnetic pressure B2!2p = qcos , where w is the angle between the free stream solar wind direction and the normal to the boundary surface9. This kind of interaction between the Earth’s magnetosphere and the solar wind is depicted in Fig. 2.
The derivation and analysis of the fluid model was first presented in reference 2. It was found that, assuming a drag coefficient of unity for the area defined by the magsail’s magnetospheric boundary, the drag exerted by the magsail, D, radius Rm, and current I is given by:
D = 1.1757c(PL’12IR2V2)213 (1)
The mass of the magsail, M, with cross sectional area A and density pis
M = 27CRAp = (2)
Taking the quotient of these two expressions, it was found that the self-acceleration of the magsail (without payload), D/M, is given by:
D/M = 0.59(ijp2V4R/I)”3(J/p) (3)
Where J is the current density in the magsail wire and is the density of material in the magsail

модели, и результаты этого исследования приводятся в ссылку 1. В соответствии со второй моделью, солнечного ветра рассматривается как плазма жидкости создания сверхзвуковой ударной как это отражается на магнитосферу magsail, насколько это происходит в случае взаимодействия между геомагнитного поля Земли и солнечного ветра. Этот второй, плазма, модель, вероятно, ближе отражением фактического поведения magsail. Мы ограничимся плазменной модели в презентации ниже. Однако из-ионного циклотронного радиуса внешней области магнитосферы magsail (около 100 км) сопоставима с габаритными размерами, что магнитосфера, частица модель имеет определенные действия, а также. Правда, без сомнения, будет найден где-то между ними. К счастью, в ответах на два подхода не являются в большой дисперсией.
Плазменные модели жидкости
В плазменных моделей жидкости, magsail аппроксимируется дипольного поля (или набора диполей) сжаты в течение границе созданы идеально проводящей плазмы ветра. В рамках границ, есть магнитное поле, но не значительное давление плазмы; за пределами границ есть плазменного потока со значительным динамическим давлением (Q = PV / 2), но без магнитного поля. Граница берется поверхность в пространстве, на которых магнитные B2 давление! 2p = qcos , где W есть угол между свободным потоком солнечного ветра и направление нормали к границе surface9. Такое взаимодействие магнитосферы Земли и солнечного ветра, изображенной на рис. 2.
Вывод и анализ жидкости модель была впервые представлена в ссылку 2. Было установлено, что, исходя из коэффициента сопротивления единства в области определяются границы магнитосферный magsail's, сопротивление оказываемое magsail, D, радиус Rm, и текущее Я определяется по формуле:
D = 1.1757c (PL'12IR2V2) 213 (1)
Масса magsail, М, с поперечного сечения площади и плотности Pis
М = 27CRAp = (2)
Принимая фактор этих двух выражений, было установлено, что самоускорение magsail (без полезной нагрузки), D / M, определяется по формуле:
Д / М = 0.59 (ijp2V4R / I) "3 (J / P) (3)
Где J-плотность тока в magsail проволоки и плотность материала в magsail

6

Bow Shock

Ударной волной

Figure 2. The Earth’s Magnetosphere.

Рисунок 2. Земли магнитосфера.

wire. If we substitute into this expression typical solar wind values of V = 5 xlO5m/s, p =(8.35 x lO2lkg/m3)/Rs2, where Rs is the distance of the magsail from the sun in astronomical units, J/Pm = 2 x 106 amp-m/kg, and p=4tx 1 7 N/amp2, then the general equation (3) reduces for this particular case to:
D/M = 0.02(R m/s2 (4)
From expressions (3) or (4) it can clearly be seen that in the fluid model it is advantageous to construct the magsail with a small current (i.e. thin wire) but a large radius. Using equation (4) we find that for a sample magsail with Bm = 10-6 T, Rm = 31.6 km. I = 50 kA, wire diameter, d = 2.52 m, sailing at 1 AU has a mass of 5 metric tons and a self acceleration of 0.0 172 m/s2. This performance would be degraded on an actual spacecraft in proportion to the weight factor W, or the “weight ratio,” which equals the mass of the magsail plus payload divided by the mass of the magsail. The total magnetic energy contained in this sail is about 80 IVIJ, and the hoop stress is 11,760 psi. Thus this magsail can be “inflated” (i.e. have its current built up) by a 10 kWe solar panel power array in about 2.2 hours (although an intermediate step of charging a capacitor bank and then using it to rapidly bring the superconductor up to full current may be useful to allow for more rapid inflation6), and the magsail material can probably react the hoop stress without additional mechanical support. However, even if the ceramic superconductor had a tensile strength of zero, this hoop stress could be reacted by a reinforcement of high strength aluminum that would only add about 10% to the sail mass. Adopting this worst-case assumption, the reinforced magsail self-acceleration is found to be 0.015 m/s2. A 10 kWe (at 1 AU) power source can be built for a mass as low as 600 kg, and so could easily travel with the magsail, allowing the magsail to be recharged if for any reason it is shut off during the mission. For missions to the outer solar system a radioisotope thermoelectric generator, AMTEC, or dynamic isotope power system (DIPS) would be more appropriate.

провод. Если мы подставим в это выражение типичного солнечного ветра значениями V = 5 xlO5m / S, P = (8,35 х lO2lkg/m3) / RS2, где рупий это расстояние magsail от Солнца в астрономических единицах, J / PM = 2 х 106 amp-m/kg и P = 4Tx 1 7 N/amp2, то общее уравнение (3) сводится в этом конкретном случае:
Д / М = 0,02 (R м/с2 (4)
Из выражения (3) или (4), она может четко видеть, что в жидкости модели выгодно построить magsail с малым током (т.е. тонкой проволоки), но большого радиуса. С помощью уравнения (4), мы обнаружим, что для образца magsail с Б. = 10-6 т, Rm = 31,6 км. Я = 50 кА, диаметр проволоки, D = 2,52 м, плавание на 1 АС массой 5 тонн и самоуправления ускорением 0,0 172 м/с2. Этот спектакль будет снижаться по фактической корабль пропорционально весу фактор Вт, или "соотношения веса", которая равна массе magsail плюс полезная нагрузка, деленная на массу magsail. Общая магнитная энергия, содержащаяся в настоящем парусом составляет около 80 IVIJ и обручем напряжение 11760 PSI. Таким образом, эта magsail может быть "завышенные" (т.е. иметь свой текущий создана) на 10 KWE солнечных батарей Power Panel примерно 2,2 часа (хотя промежуточный этап зарядки батареи конденсаторов, а затем использовать его для быстрого приведения сверхпроводник до полного ток может быть полезно в целях обеспечения более быстрого inflation6), а также материальных magsail, вероятно, может реагировать Хооп нагрузки без дополнительной механической поддержки. Однако, даже если керамического сверхпроводника был предел прочности на растяжение к нулю, эта Хооп напряжение может быть отреагировали на укрепление алюминий высокой силы, что бы только добавить, около 10% на парус массовой информации. Принятие этого наихудшего предположения, армированные magsail самоускорением оказывается 0,015 м/с2. 10 KWE (на 1 АС) источника питания может быть построен за низкой массой до 600 кг, и поэтому могут легко путешествовать с magsail, позволяя magsail, которые будут пополняться, если для какой-либо причине отключения в ходе миссии. Для миссий по внешней солнечной системе радиоизотопных термоэлектрических генераторов, AMTEC или динамический изотоп энергосистемы (ООМЗ) было бы более уместным.

Solar Wind

Солнечный ветер

7

7

In the plasma tluid model litt can also be generated it the dipole is situated with its axis at some orientation intermediate between the axial and normal configurations. Using a hypersonic aerodynamics code, reference 2 reported simple dipole configurations with L/D as high as 0.14. If compound magsails were adopted, consisting of two or more loops connected by a spar along their axes, more desirable magnetospheric boundaries could be obtained yielding a higher L/D.
Masail Orbits in Heliocentric Space
Methods of analytically calculating magsail orbits in heliocentric space were first presented by R. Zubrin in reference 2. In heliocentric space the force generated by the magsail’s interaction with the solar wind is much, much greater than that created by the interaction between the magsail and the Sun’s magnetic field, and so it is the plasma wind results, previously presented, that are relevant here.
IvIa,gsail Orbits Without Lift
In order to calculate the orbit of a magsail spacecraft, we choose to parameterize the drag (thrust) generated by the magsail in the solar wind as a fraction of the sun’s gravitational attraction on the spacecraft. The sun’s gravitational acceleration gs =
.006/Rs2, and the maximum magsail spacecraft acceleration DIM = 0.015/(WRs4/3), where W, the weight ratio equals the mass of the magsail plus payload divided by the mass of the magsail. The apparent fraction, a, of the sun’s gravity operating on the spacecraft with its magsail operating at full current is then given by:
CL = (1 - D/(Mg)) = (1 -2.5R213/W) (5)
If o = 1, the magsail is not operating. If o is between 1 and zero, the spacecraft acts as a body moving about a star whose mass is the fraction of the sun’s mass represented by x. If CL = 0, the spacecraft feels no solar force and moves in a straight line; while if CL < 0, the spacecraft feels a net repulsion from the sun and moves away in a hyperbolic orbit.
Lets say our 5 ton magsail requires 1 ton of additional mass for shrouds, solar panels, avionics, etc., and we wish to use it to transfer a 41.5 ton payload (W=9. 5) from Earth to Mars. Assume that the magsail is co-orbiting with the Earth but outside of its gravitational well. Using canonical units13 such that REarth = VEarth = = 1, we can write:
E=V2/2 - o/R= -CL/2a (6)
where E is the specific energy of the spacecraft, is its velocity about the sun in canonical units, R is its distance from the sun in AU, and a is the semi-major axis of its elliptical orbit. Since for a Hohmann transfer to Mars, 2a=2. 52, we can solve equation (6)

8

В плазме tluid ЛИТ модель также может быть сгенерировано это дипольных находится со своей оси на то ориентироваться промежуточное между осевой и нормальной конфигурации. Использование кода гиперзвуковой аэродинамики, ссылка 2 сообщили простых дипольных конфигураций с L / D выше, чем 0,14. Если будет принят magsails соединения, состоящие из двух или более петлями связаны Spar вдоль своей оси, более желательным магнитосферный границы могут быть получены дающих высшее L / D.
Masail на гелиоцентрической орбиты космических
Аналитические методы расчета magsail на гелиоцентрической орбите космических были впервые представлены Р. Зубрин в виду 2. В гелиоцентрической космических сил порожденных magsail взаимодействия с солнечным ветром гораздо, гораздо больше, чем созданные в результате взаимодействия между magsail и магнитного поля Солнца, и поэтому плазмы ветра результатов, представленных ранее, которые имеют отношение здесь .
IvIa, gsail Орбита без лифта
Для того чтобы рассчитать орбиту magsail космический корабль, который мы выбираем для параметризации перетащить (тяга), порожденная magsail в солнечном ветре, как долю от гравитационного притяжения Солнца на космический корабль. Гравитационного солнца GS ускорение =
.006/Rs2, А максимальное ускорение корабль magsail DIM = 0,015 / (WRs4 / 3), где З, весовое соотношение равно масса полезной нагрузки magsail плюс разделить на массу magsail. Очевидная фракции, тяжесть эксплуатации ВС на корабль с его magsail, работающих на полную текущего Затем определяется по формуле:
CL = (1 -- D / (М)) = (1-2.5R213 / Вт) (5)
Если O = 1, magsail не действует. Если о колеблется от 1 до нуля, корабль действует в качестве органа о движении звезд, масса которых доли массы Солнца представлена X. Если CL = 0, корабль не чувствует солнечной силы и движется по прямой линии, а если CL < 0 корабли чувствует чистое отталкивание от солнца и уходит в гиперболической орбите.
Допустим, наш 5 тонны magsail требуется 1 тонна дополнительной массы для кожухи, панели солнечных батарей, авионики и т.д., и мы хотим использовать его для передачи 41,5 тонны полезной нагрузки (W = 9. 5) от Земли на Марс. Предположим, что magsail совместно с орбитой Земли, но за пределами его гравитационного хорошо. Использование канонических units13 такое, что REarth = VEarth = = 1, мы можем написать:
E = V2 / 2 -- O / R = -CL/2a (6)
где Е удельной энергией космические аппараты, является ее скорость относительно Солнца в канонических подразделений, R является его удаленность от Солнца в АС, и это большая полуось эллиптической орбиты. Поскольку для передачи Хоманн на Марс, 2а = 2. 52, мы можем решить уравнение (6)
8

for the required value of CL (Vsc initially =1) to send the spacecraft onto such an orbit. The result is CL = 0.8289. Checking equation (5) we find our spacecraft with W=9.5 is can attain an CL at 1 AU as low as 0.73 68, so it is capable of doing this maneuver. Since in this zero-lift trajectory angular momentum about the sun is conserved, upon reaching Mars orbit, the ship will be moving with a velocity of Vsc(Mars arrival) = 1/1.52 = 0.6579. If we now wish to circularize the orbit, we use this value of together with 2a=3.04 in equation (6) and find that the required value of o to circularize at Mars is 0.65 79. Checking equation (5), we see that our spacecraft at 1.52 AU is capable of generating CL as low as 0.652, and so it can circularize at Mars.
Our spacecraft is now moving in Mars’ orbital track about the sun, but at a dfferent speed than Mars. Mars is overtaking the spacecraft with a relative velocity of 4.564 km/s. This odd situation gives the magsail craft a very interesting capability. What it means is that the spacecraft can leave Earth for a Hohmann transfer to Mars’ orbit, circularize, and then loiter at will in Mars’ orbit until the Red Planet catches up to it. Thus a magsail interplanetary transfer can be done at any time, unlike ballistic interplanetary transfer orbits, there are no limited launch windows.
When Mars approaches, the magsail can release its payload, consisting of cargo plus an aerobrake, allowing the payload to aerobrake into Mars orbit or land. Simultaneously, the magsail reduces its current partially so as to increase CL back to 0.8289, sending it on a Hohmann transfer orbit back to Earth. Upon reaching Earth orbit, the magsail is turned off, and the spacecraft will circularize at 1 AU. If the timing of this maneuver is incorrect for Earth rendezvous, all the magsail has to do is make its initial return Hohmann transfer to a circular orbit intermediate between Earth and Mars. The magsail can then waste as much time as required in that orbit to allow the Earth to attain the correct position for the final Hohmann transfer home. Since the intermediate orbit can be chosen at will, such return flights can be scheduled with great flexibility.
The time of flight of such magsail Hohmann transfers is given by:
12
t=ic(a /CL) (7)
For our Earth-Mars Hohmann transfer, a=1.26, CL=O.8289, and thus t4.88 canonical units=283 days, a time slightly longer than the usual Hohmann transfer ballistic flight time.
Magsail requirements and capabilities are shown in Table 1 for moving payloads to different planetary destinations in the outer solar system, assuming no magsail lift. In Table 1., CLtrans is the value of CL required to initiate the transfer ellipse to the given destination, CLcjrc is the value of a required at that destination to circularize the orbit, Ocirc0 is the value that o would have to have been at 1 AU to allow the spacecraft to attain CLcirc at the destination, Wtrans is the weight ratio (the mass of the magsail plus payload divided by the mass of the magsail) allowable to permit the attainment of atrans, and Wcirc is the weight ratio allowable to permit the attainment of CLcircO. The weight
9

для требуемого значения CL (ВСК первоначально = 1), чтобы отправить корабль на такую орбиту. Результат CL = 0,8289. Проверка уравнения (5) находим наш корабль с W = 9,5 это может достигать CL на 1 а.е. как низкое качество 0,73 68, так что она способна делать этого маневра. Поскольку в этом нулевой подъемной траектории угловой момент сохраняется вокруг Солнца, по достижении орбиту Марса, корабль будет двигаться со скоростью VSC (Марс прибытия) = 1/1.52 = 0,6579. Если теперь мы хотим, чтобы рассылать орбиты, мы используем это значение вместе с 2a = 3,04 в уравнении (6), и обнаружили, что требуемое значение вывода рассылать на Марсе 0,65 79. Проверка уравнения (5), мы видим, что наш корабль на 1,52 АС, способные генерировать CL как низкое качество 0,652, и поэтому он может рассылать на Марс.
Наш корабль сейчас движется в орбитальной трек Марса вокруг Солнца, но в dfferent скоростью, чем Марс. Марс обгона корабля с относительной скоростью 4,564 км / с Эта странная ситуация дает magsail судов очень интересные возможности. Что это означает, что космический аппарат может покинуть Землю для передачи Хоманн на орбите Марса, циркуляры, а потом слоняются по желанию на орбите Марса до Красной планеты догоняет его. Таким образом, межпланетный magsail передаче может быть сделано на любое время, В отличие от баллистического межпланетные орбиты передачи, не существует ограниченное окна запуска.
Когда Марс подходы, magsail может освободить свои полезной нагрузкой, состоящей из груза плюс aerobrake, позволяя aerobrake полезной нагрузки на орбиту Марса или землю. Одновременно magsail уменьшает его нынешней частичной с тем чтобы увеличить CL Вернуться к 0,8289, и отправить его на орбиту Хоманн передачу обратно на Землю. После выхода на орбиту Земли, magsail выключен, и космический корабль будет рассылать по 1 АС. Если сроки проведения этого маневра является неправильным для сближения Земли, все magsail имеет лишь сделать первоначальный возвращение Хоманн передачу на круговую орбиту промежуточной между Землей и Марсом. Magsail может отходов столько времени, сколько необходимо предпринять в этой орбиты на Землю позволяет достичь правильного положения для окончательной передаче домой Хоман. С промежуточной орбиты могут быть выбраны по желанию, таких рейсов для возвращения могут быть запланированы с большой гибкостью.
Время полета из таких переводов magsail Хоманн определяется по формуле:
12
T = IC ( / CL) (7)
Для нашей Земле передачи Марс Хоманн, A = 1.26, CL = O.8289, и таким образом t4.88 канонических единиц = 283 дней, время немного дольше, чем обычные баллистические передачи Хоманн время полета.
Magsail потребностей и возможностей приведены в таблице 1 для продвижения полезных нагрузок на различные планеты в солнечной системе, при условии отсутствия magsail лифта. В таблице 1., CLtrans это значение CL необходимых для начала перевода эллипса к данному назначению, CLcjrc это значение, требуемой в этой назначения рассылать орбиты, Ocirc0 это значение, которое O бы были на 1 а.е., чтобы корабль для достижения CLcirc в месте назначения, Wtrans является соотношением веса (масса полезной нагрузки magsail плюс разделить на массу magsail) допустимое разрешение для достижения atrans и Wcirc является допустимой удельной разрешить достижение CLcircO. Вес
9

ratio actually attainable for any given destination is simply the lesser of Wtrans and Wcjrc. We can see that a magsail without lift can move a payload amounting to 4 times the sail weight to any destination in the outer solar system.
Finally, if we do not desire to go anywhere in particular, but only wish to rapidly accelerate out of the solar system (as is required for the proposed Thousand Astronomical Unit11 probe, for example) we can set W=1.25, and thus a=-1 at 1 AU, becoming more negative as we move out. Integrating the equations of motion, we find that the probe will be hurled out of the solar system with a terminal velocity of 95 km/s, reaching 1000 AU in about 50 years.
Table 1. .Zero Lift Magsail Payload Capability
Destination cx cx. cx . W W
trans circ circO trans circ
Mars 0.8289 0.657 0.741 14.60 9.66
Jupiter 0.5906 0.192 0.711 6.11 8.64
Saturn 0.5525 0.105 0.801 5.58 12.55
Uranus 0.5259 0.052 0.868 5.27 18.96
Neptune 0.5165 0.033 0.900 5.17 25.06
Pluto 0.5125 0.025 0.916 5.12 29.87
Escape 0.5000 0.000 1.000 5.00 infinite

Magsail Orbits Utilizing Lift
If lift can be generated, the magsail becomes capable of changing its angular momentum about the sun, giving it both greater maneuverability and payload hauling capability. The mathematics of the orbit transfer becomes more complex. Methods of calculating such orbits were derived by R. Zubrin in 1989 and are given in reference 2.
The use of lift allows for the magsail to adopt much more flexible flight plans between planets. For example, let us say we send the spacecraft on a zero-lift trajectory towards Mars. We arrive in Mars orbit, and dally until Mars shows up, at which point we release the payload and set forth on a transfer orbit towards Earth, all as described in the discussion of zero-lift maneuvers. Now, however, we apply negative lift to decrease the spacecraft’s angular momentum about the sun. In this case, when we arrive at Earth orbit, we need a value of o < 1 to circularize, which means that we can now circularize in Earth orbit with a different orbital velocity than the Earth, and loiter until the Earth catches up to us. We thus have the ability to move large payloads back and forth between the Earth and Mars with the knowledge that rendezvous can be achieved at each end of the orbit without regard to when the spacecraft sets forth. This solves the problem that derailed the concept of cycling interplanetary “castles” i.e. the inability of these large manned habitats following ballistic interplanetary orbits to obtain a useful number of planetary encounters in their lifetime12. In effect the magsail allows the castles to “cheat” against the laws of orbital mechanics by giving it the ability to adjust the effective mass of the sun to that required to assure orbital rendezvous with the target planet at each end of the castle’s commute. In addition, the use of negative lift allows the magsail to drop below Earth orbit to visit Mercury and Venus.
10

Отношение реально достижимо для любого назначения просто меньшее из Wtrans и Wcjrc. Мы видим, что magsail без лифта может двигаться полезной нагрузки в размере 4 раза парус весом в любое место во внешней солнечной системы.
Наконец, если мы не хотим никуда идти, в частности, но только пожелать, чтобы быстро ускорить вне Солнечной системы (как это требуется для предлагаемого Тысяча зонд астрономический Unit11, например), мы можем установить W = 1,25 и, следовательно, A = -1 на 1 а.е., становится все более негативным, как мы переехать. Интегрирования уравнений движения, мы обнаружим, что зонд будет бросать из Солнечной системы с конечной скоростью 95 км / с, достигая 1000 АС в 50 лет.
Таблица 1. . Нулевой подъемной Magsail полезной нагрузки
Направление CX CX. CX . W W
транс-транс Circo CIRC CIRC
Марс 0,8289 0,657 0,741 14,60 9,66
Юпитер 0,5906 0,192 0,711 6,11 8,64
Сатурн 0,5525 0,105 0,801 5,58 12,55
Уран 0,5259 0,052 0,868 5,27 18,96
Нептун 0,5165 0,033 0,900 5,17 25,06
Плутон 0,5125 0,025 0,916 5,12 29,87
Побег 0,5000 0,000 1,000 5,00 бесконечных
Magsail Орбита Использование лифта
Если подъем может быть подготовлено, magsail становится способным изменить свой угловой момент о солнце, придавая ему как большую маневренность и полезной возможностью выборки. Математика орбите становится все более сложным. Методика расчета таких орбитах, были получены Р. Зубрин в 1989 году и приведены в ссылке 2.
Использование лифта позволяет magsail принять гораздо более гибкие планы полетов между планетами. Например, скажем, мы отправляем корабля на нулевой подъемной траектории к Марсу. Мы приходим на орбите Марса, и мешкать до Марса показывает вверх, после чего мы выпускаем полезной нагрузки и изложенные на переходную орбиту к Земле, все как описано в обсуждении нулевой подъемной маневров. Теперь, однако, мы применяем негативных лифт к уменьшению углового момента корабль о ВС В этом случае, когда мы приходим на околоземной орбите, нам нужны значения O < 1 циркуляры, что означает, что теперь мы можем рассылать в Земля орбиту с другом, чем орбитальная скорость Земли, и медлить, пока Земля догоняет нас. Итак, мы имеем возможность перемещать большие полезные нагрузки взад и вперед между Землей и Марсом с осознанием того, что сближение может быть достигнуто на каждом конце орбиты без связи с кораблем, когда устанавливаются. Это решает проблему, что сорвали концепцию межпланетной Велоспорт "замков", т.е. неспособность этих больших пилотируемых обитания следующие баллистические межпланетных орбитах получить полезную числа планетарных сталкивается в своей lifetime12. По сути, magsail позволяет замки "обмануть" по отношению к законам орбитальной механики, давая ей возможность настроить эффективные массы Солнца, которая требуется для обеспечения орбитальных сближения с целевой планеты на каждом конце коммутируют замка. Кроме того, использование негативных лифт позволяет magsail чтобы упасть ниже околоземной орбите посетить Меркурия и Венеры.
10

If lift is to be utilized, it becomes necessary to be able to control the orientation of the magsail. One way to accomplish this would be to connect the payload to the magsail loop with a set of tethers that can be either reeled in or out on a windlass. This would allow the magsail to shift its center of mass in either of the two dimensions within the plane of the loop. By moving the center of mass relative to the sail’s center of pressure a torque can be induced, allowing the magsail to be swung into the desired attitude.
Above and beyond its propulsive capability, the magsail has an additional advantage as a system for manned interplanetary spacecraft, in that it shields the crew from a large portion of the radiation dose they would otherwise receive from the solar wind and solar flares. Without such shielding, these hazards may well place a constraint on long distance manned spaceflight.
Magsails can also be used to generate thrust within a planetary magnetosphere by pumping against a planet’s magnetic poles. Such use is discussed by Zubrin in reference
13.
The Masai1 as an Interstellar Brake
In addition to its role as an interplanetary propulsion system, the magsail also offers great potential as the braking device1 for an interstellar spacecraft that has been previously accelerated to very high velocities by some other means, for example by a fusion rocket or a laser pushed lightsail. In this case, the plasma wind is the apparent wind created by the relative velocity between the spacecraft and the interstellar medium. In reference 1, the particle model was used to show that a relativistic magsail could brake itself with an e-folding velocity decay time of 36 years, if ‘Pm = 2.0 x 106 amp-m/kg. A more accurate and a more favorable result can be derived utilizing the plasma fluid model. Using equation (3) with VVsc,pl.67 x 1022 kg/m3, Rm = 100 km, I = 159 kA, and W =2 (a 50 ton magsail with a 50 ton payload), we obtain:
dV/dt-1.66x 10”V413 (8)
The solution of this equation is:
VV0/(1 +3.68x 10’2V0’13t)3 (9)
where V0 is the velocity of the spacecraft at the beginning of the braking maneuver. If Vo is 3 x i07 m/s (one tenth the speed of light) and t is given in years, (9) becomes:
V = (3 x 1O7 m/s)/(1 + 0.054t)3 (10)
which will reduce V by a factor of 8 in 18.5 years. In 55.5 years V will be reduced by a factor of 64 to 468 km/s, a velocity suitable for magsail or fusion rocket braking within the destination solar system itself. For all intents and purposes, the magnetic sail has
11

Если подъем будет использоваться, оно становится необходимым, чтобы иметь возможность контролировать ориентацию magsail. Один из способов достижения этого было бы подключить к Деструктивная magsail петля с комплектом ремней, который может быть намотаны или уменьшение на лебедке. Это позволит magsail сместить центр масс в любой из этих двух измерениях в плоскости петли. Перемещая центра масс по отношению к центру паруса давления крутящий момент может быть вызвана, позволяя magsail быть качнулся в нужную позицию.
Помимо своих возможностей движителя, magsail имеет дополнительное преимущество, так как система для пилотируемых межпланетных космических аппаратов, в который она защищает экипаж от большая часть дозы облучения в противном случае они будут получать от солнечного ветра и солнечных вспышек. Без такой защитой, эти опасности, может возложить ограничения на междугородние пилотируемых космических полетов.
Magsails также может быть использован для генерации тяга в планетарном магнитосферы путем откачки от магнитных полюсов планеты. Такое использование обсуждаться Зубрин в ссылку
13.
Masai1 как межзвездное тормозные
В дополнение к своей роли в качестве межпланетной двигательная установка, magsail также обладает огромным потенциалом, как тормозная device1 для межзвездных космических аппаратов, которые были ранее ускоренных до очень высоких скоростей-либо иным способом, например путем слияния или ракету лазерный толкнул lightsail . В этом случае плазмы ветра является очевидным Ветер создается относительной скорости между кораблем и межзвездной среды. Со ссылкой 1, частица модель была использована, чтобы показать, что релятивистские magsail может сам тормоз с электронной складывающиеся время затухания скорости 36 лет, если 'PM = 2,0 X 106 amp-m/kg. Для более точного и более благоприятный результат может быть получен использованием плазменных моделей жидкости. Используя уравнение (3) с VVsc, pl.67 х 1022 кг/м3, Rm = 100 км, я = 159 кА, W = 2 (50 тонна magsail с полезной нагрузкой 50 т), получим:
dV/dt-1.66x 10 "V413 (8)
Решение этого уравнения:
VV0 / (1 +3,68 х 10'2V0'13t) 3 (9)
где v0 скорость корабля в начале тормозного маневра. Если УО I07 х 3 м / с (одна десятая скорости света) и Т приводится в год (9) принимает вид:
V = (3 х 1O7 м / с) / (1 + 0.054t) 3 (10)
, которые позволят сократить видео по 8 раз в 18,5 лет. В 55,5 лет V будет уменьшен на коэффициент от 64 до 468 км / с, скорость подходит для magsail или торможение синтеза ракету в пределах назначения солнечной системы. Для всех намерений и целей, имеет магнитный парус
11

eliminated the propellant required for terminal deceleration, with the result being an enormous reduction in mission mass ratio.
The above calculation (as well as the calculations in reference 1) are based on an assumed interstellar hydrogen number density of 105/m3. This is quite conservative.
Some astronomers put the estimate ten times higher, which would shorten the time scales given above by a factor of 4.64.
The Phase I Study
As can be seen from the above, the mathematics for calculating potential magsail performance has been worked in considerable detail. These theoretical results clearly show that the magsail has enormous potential to revolutionize humanity’s spaceflight capabilities; allowing propellant-free transfer of large payloads throughout the solar system and potentially enabling interstellar flight.
In order to more adequately explore the technology, design and operability issues that will determine if this very promising technique for space propulsion is feasible, Pioneer Astronautics proposed a Phase I investigation. This study, which was approved by the NASA Institute of Advanced Concepts (NIAC) took an in-depth look at magsail technology, design, and operations, and also defined a Phase II experimental program to move magsails from their current concept stage to flight demonstration. Some of the most important results of that study are presented below.
Perhaps more than any other driver, it is absolutely essential to utilize a superconductor with a sufficiently high current density to mass ratio and high operating temperature in order to minimize magsail mass. (Zubrin, Andrews) 1-3 Therefore, in the first phase of this project, research was conducted to determine the ability of present and probable
future superconductor technology to meet these requirements. Design and performance issues are then discussed, including operation in near-solar, interplanetary, and
interstellar space. A description of a magsail development program rounds out this report, with simulations and experiments designed to further magsail technology.
12

устранил топлива, необходимого для замедления терминал, в результате чего время огромные сокращения миссия соотношения массы.
Приведенные выше расчеты (а также расчеты в виду 1), исходя из предполагаемого числа плотность межзвездного водорода 105/m3. Это довольно консервативно.
Некоторые астрономы поставили оценку в десять раз выше, что позволит сократить временные рамки приведенного выше на коэффициент 4,64.
Первый этап исследования
Как видно из вышеизложенного, математике для расчета потенциальной эффективности magsail была разработана довольно подробно. Эти теоретические результаты ясно показывают, что magsail имеет огромный потенциал революционизировать Spaceflight возможностей человечества; позволяющий топлива свободной передачи больших полезных нагрузок по всей Солнечной системе и в перспективе обеспечит межзвездного полета.
Для того чтобы более адекватно изучить технологию, дизайн и работоспособность вопросов, которые будут определять, если это очень перспективная техника для космических двигателей возможно, Pioneer астронавтики предложил первый этап расследования. Это исследование, которое было одобрено НАСА Института перспективных концепций (NIAC) приняла в глубокий взгляд на magsail технологию, дизайн и операций, а также определен второй этап экспериментальной программы для перемещения magsails от их нынешней стадии концепции до полетов демонстрация . Некоторые из наиболее важных результатов этого исследования представлены ниже.
Может быть, больше, чем любой другой водитель, он является абсолютно необходимым, чтобы использовать сверхпроводник с достаточно высокой плотностью тока к массе и высокой температуре, с тем чтобы свести к минимуму magsail массовой информации. (Зубрин, Эндрюс) 1-3 Таким образом, в первом этапе этого проекта были проведены исследования, чтобы определить способность нынешнего и вероятного
Технологии будущего сверхпроводник для удовлетворения этих требований. Дизайн и исполнение вопросы затем обсуждаются, в том числе операции в ближайшее-Solar, межпланетной и
межзвездном пространстве. Описание magsail программы развития раундов из этого доклада, при моделировании и экспериментов, направленных на дальнейшее magsail технологий.
12

Superconductor Trade Study:
To obtain the lowest total superconducting coil mass, and thus the highest MagSail acceleration/highest payload capacity, it is desirable to have:
1) The lowest cable density possible, to cut down on cable mass.
2) The highest critical temperature possible, to allow passive rather than active cooling, if possible, and minimize thermal control systems mass.
3) The highest current density possible (and ultimately the highest engineering critical current density possible) to maximize cable thrust.
Terms:
H2 - Upper critical field: maximum magnetic field a superconducting material can withstand before entirely losing its superconductivity.
- Critical current: maximum current a superconducting material can carry before losing its superconductivity. Can be measured according to different criteria, the commonly used resistive method measures voltage difference of 1 jiV/cm.
J - Critical current density: critical current divided by cross-sectional area of current carrying superconducting material, often a filament imbedded in a larger non- superconducting matrix, a thin-film on top of a thick non-superconducting substrate or a fraction thereof. Method by which J is measured is not always uniform between labs. The critical current density decreases very rapidly with increasing temperatures and magnetic fields.
Je - Engineering critical current density: critical current divided by the total cross- sectional area of wire, tape, or structure of interest, including non-superconducting substrates.
- Critical temperature, the highest temperature at which a superconductor can function without losing it superconductivity.
BSCCO - Barium Strontium Copper Calcium Oxide
HBCCO- Mercury Barium Copper Calcium Oxide
TBCCO- Thallium Barium Copper Calcium Oxide
YBCO - Yttrium Barium Copper Oxide
13

Сверхпроводник торговли Исследование:
Чтобы получить самую низкую общую сверхпроводящие катушки массы, и таким образом, самым высоким ускорением MagSail / высокая грузоподъемность, желательно иметь:
1) низкая плотность кабеля Возможно, чтобы сократить кабеля массой.
2) высокая критическая температура Возможно, с тем чтобы пассивный, а не активного охлаждения, если возможно, и свести к минимуму тепловые системы контроля массы.
3) высокие текущие Плотность можно (и в конечном счете, высокий инженерно критической плотности тока возможно) максимально кабеля тяги.
Условия:
H2 -- Верхнего критического поля: максимальное магнитное поле сверхпроводящего материала может выдержать до полностью утрачивает сверхпроводимость.
-- Критический ток: Максимальный ток сверхпроводящего материала может нести до потери своей сверхпроводимости. Может быть измерена в соответствии с различными критериями, широко используемого метода резистивная измеряет напряжение разности 1 джив / см.
J -- Критическая плотность тока: критического тока разделены по площади поперечного сечения токопроводящих из сверхпроводящего материала, часто накаливания вложенной в большей несверхпроводящей матрицы тонкопленочных сверху толстым несверхпроводящей субстрата или его часть. Метод, по которому измеряется J не всегда равномерного между лабораториями. Критическая плотность тока очень быстро уменьшается с повышением температуры и магнитного поля.
Je -- Инженерные критической плотности тока: Критический ток, деленная на общую площадь поперечного сечения проволоки, ленты, или структура интересов, в том числе несверхпроводящей субстраты.
-- Критическая температура, высокая температура, при которой сверхпроводник может функционировать без потери его сверхпроводимости.
BSCCO -- Бария-стронция медь оксида кальция
HBCCO - Ртуть Барий медь оксида кальция
TBCCO - Таллия бария медь оксида кальция
YBCO -- Иттрий Барий оксида меди
13

Superconducting Wire Density:
Because presently available long-length wires are mostly metal, their mass densities are roughly similar, 9.2x103 kg/m3 for high temperature silver BSCCO Bi-2212 wires, which can operate above 90 K (Motowidlo, IGC)16 to 6.5x 10 kg/m3 for low temperature wires, operating below 20 K, with densities assumed to be halfway between that of Nb and Ti 17 (CRC).)
Research is being done to produce high-temperature tapes based on a Ni-alloy substrate, which would be expected to be under 8.90x103 kg/m3, the density of pure Ni.17
In the future, as high temperature superconductor wires are improved, it is assumed their metal content will decrease, with mass density falling from 9.2x1 kg/m3 (BSCCO Bi 3 . 1
2212 ) towards 5x10 kg/m (pure copper-oxide).
Therefore, critical temperature and critical current density become design drivers over mass density for presently available materials. In the present, low temperature materials may be somewhat lighter, in the longer term high temperature superconductor mass densities should be about the same or a little less.
Superconducting Critical Temperature and Current Densities:
Low Temperature Superconductors:
The best Low Temperature Superconductors have good current densities, 1010 to 10h1 Aim2 at 2.7 K 1, with Jo’s 3-5 times lower for conductors at 4 K.18 However low temperature superconductors can’t operate above 18.1 K. Niobium-Titanium and Niobium-Tin are commonly used in wires and high strength magnets in specialty applications such as IVIRI’s and particle accelerators.
Niobium Titanium:
NbTi has a J of 3 x 10 A/rn2 (at 5 T, 4.2 K)18, which increases to 4.25 x 10 9A/m2 for
specially processed artificial pinning center wire (at 5 T, 4.2 K).19 It has a T of 9.2 K
and a H2 of 11 T. 20,21
Niobium Tin:
Nb3Sn has a J of 1-2 x 10 A/rn2 (at 10 T, 4.2 K).18 It has a T of 18.05 K 22and a H2 of 24 T. 21
14

Сверхпроводящей проволоки Плотность населения:
Поскольку в настоящее время доступна длинномерных проводов в основном металл, их плотность массы примерно одинаковы, 9.2x103 кг/м3 для высоких температур серебро BSCCO Bi-2212 провода, которые могут работать выше 90 K (Motowidlo, МПК) от 16 до 6.5x 10 кг / м 3 для низких температур провода, операционная ниже 20 К, плотность предполагается, что на полпути между из Nb и Ti 17 (КПР).)
Настоящее время проводятся исследования для получения высокотемпературной лент на основе Ni-сплава подложки, которая должна будет находиться под 8.90x103 кг/м3, плотность чистого Ni.17
В будущем, равно как и улучшить провода высокого сверхпроводников, то предполагается, содержание в них металлов снизится, с плотностью массы снизилась с 9.2x1 кг/м3 (BSCCO Bi 3 . 1
2212 ) к 5x10 кг / м (чистая медь-оксид).
Поэтому, критической температуры и критической плотности тока стал дизайн драйверов над средствами массовой плотности настоящее доступных материалов. В настоящее время материалы с низкой температурой, может быть несколько легче, в долгосрочной перспективе высокой плотности сверхпроводника масса должна быть примерно такой же или немного меньше.
Сверхпроводящей критической температуры и плотности тока:
Низкая температура сверхпроводников:
Низкий лучшие сверхпроводники имеют хорошую плотность тока, 1010 10h1 AIM2 2,7 K 1, с Джо в 3-5 раз ниже для проводников на 4 K.18 Однако низкая сверхпроводников не может работать выше 18,1 К. ниобий-титана и ниобий-олова обычно используется в проводах и высокой магнитов в специальных приложений, таких как IVIRI и частица ускорителях.
Ниобий титана:
NbTi имеет J 3 х 10 A/rn2 (на 5 т, 4,2 К) 18, который увеличивается до 4,25 х 10 9A/m2 для
специально обработанные искусственные проволоки центра фиксации (на 5 т, 4,2 К) .19 Он имеет Т 9,2 K
и Н2 11 Т. 20,21
Ниобия олова:
Nb3Sn имеет J 1-2 х 10 A/rn2 (на 10 т, 4,2 К) .18 Она т 18,05 К 22and Н2 24 Т. 21
14

High Temperature Superconductors:

Высокотемпературных сверхпроводников:

High Temperature Superconductors were first discovered in 1986, with La compounds operating at 35 K.23 The best HTS materials can now operate much higher, up to 135 K (164 K under high-pressure 2-I) and small samples can exceed critical current densities of 1010 A/rn2, with performance typically a magnitude better at lower temperatures. The biggest problem is growing and precisely aligning the crystals of HTS materials in large scale manufacturing processes so that the same performance found in small thin-film crystals can be approached. These HTS materials are anisotrophic in response to magnetic fields with degraded performance as fields increases. Present BSCCO superconductors experience significant “flux creep”, or movement of magnetic flux lines. Flux creep absorbs energy and can cause the persistent current in a superconductor to decay 30-40% in 2-4 hours, even with no applied external magnetic fields.2 This may necessitate a quick charge rate for the demonstration sail, continuous trickle charging, and increased heat dissipation. These modifications are assumed to be small and have not been analyzed further. YBCO and future BSCCO may have a higher resistance to flux creep, and may be amenable to longer charge times with less topping off of current.
Fig 3. Weak Links, poorly aligned crystals (DOE)23
The most popular HTS compounds are BSCCO and YBCO.
Critical current densities are commonly reported at 77K and zero applied magnetic field, which is used in this report unless otherwise stated.
Barium Strontium Calcium Copper Oxide:
Barium Strontium Calcium Copper Oxide, BSCCO, is currently the only HTS compound made into long wires but its ultimate (single-crystal) J (at OT, 77 K) is a magnitude less than that of YBCO. It has a T of up to 110 K and a H2 (at 77 K) of 3.5 /35 T ((II I to the crystallographic axis, c). At 4.2 K, the H2 is 29/400 T (II I to the c-axis).21
The Bi-2 122, phase of BSCCO has a J of 7 x 10 9 A/rn2 for a single-crystalline thin film (at OT, 60 K)26 with its highest T at 95 K. 21

Высокотемпературных сверхпроводников были впервые обнаружены в 1986 году, Ла-соединений, работающих на 35 лучших K.23 HTS материалов теперь могут работать гораздо выше, до 135 К (164 K под высоким давлением 2-я) и малых выборок может превышать критическую плотность тока 1010 A/rn2 с мощностью, как правило, величина лучшему при низких температурах. Самая большая проблема растет, и именно приведение кристаллы HTS материалов в больших масштабах производство процессы, с тем, что такую же производительность, обнаружены в небольших тонкопленочных кристаллах можно подойти. Эти HTS anisotrophic материалов в ответ на магнитных полей снижается производительность, как поля увеличивается. Настоящее BSCCO сверхпроводников опыт значительный "поток Creep", или движения линий магнитного потока. Крипа поглощает энергию и может привести к стойким тока в сверхпроводнике к распаду 30-40% в течение 2-4 часов, даже при отсутствии приложенного внешнего магнитного fields.2 Это может потребовать быстрого оплаты за демонстрацию паруса, непрерывная струйка зарядки и повышенной теплоотдачей. Предполагается, что эти изменения будет незначительным и не были проанализированы далее. YBCO и будущих BSCCO может иметь более высокую устойчивость к крипа, и может поддаваться раза больше заряда с менее Topping от тока.
Рис 3. Слабые звенья, плохо соответствие кристаллы (DOE) 23
Наиболее популярными HTS соединения BSCCO и YBCO.
Критическая плотность тока, как правило, сообщается на 77K и нулевое магнитное поле, которое используется в настоящем докладе, если не указано иное.
Бария-стронция кальция оксида меди:
Бария-стронция кальция оксида меди, BSCCO, в настоящее время единственным HTS соединения сделаны в длинных проводов, но ее конечная (монокристаллического) J (на О.Т., 77 К) величина меньше, чем в YBCO. Он имеет Т до 110 К и H2 (при 77 К) 3,5 / 35 т ((II Я к кристаллографической оси C). На 4,2 К, Н2 29/400 T (II Я с-оси) .21
Би-2 122, фазы BSCCO имеет J от 7 х 10 9 A/rn2 для монокристаллических пленок (на О.Т., 60 K) 26 с наивысшей т при 95 К. 21

15

15

The Bi-2223, phase of BSCCO, has a J of 1010 A/rn2 for a single-crystalline thin film (at OT, 77K).27 Its highest T is 107 K. 18
BSCCO wire is made commercially by the powder-in-tube (OPIT) process by American Superconductors, Intermagnetics General Corporation, and others. The OPIT process is used in order to self-align the BSCCO crystals and add oxygen, but this requires an expensive and massive matrix of Ag, which limits its potential engineering critical current density. Presently, the highest engineering critical current density is for BSCCO Bi-2223 OPIT wires from American Superconductor. They have reached a record Je of 1.1 2x 108 A/rn2 for wires over 200 meters long, averaged over 100 samples, and a maximum J of 2.3 x108 A/rn2 for shorter 10 cm long wires.24
As BSCCO wires improve, they will become more useful, but they still fall short of the performance that YBCO could deliver.
Yttrium Barium Copper Oxide:
YBCO, has reached a peak J of 1011 A/rn2 for a thin-film deposited on Strontium
Titanate single crystals 28 YBCO has a T of up to 92 K and a H2 (at 77 K) of 9/56 T ((II
I to the crystallographic axis, c) At 4.2 K, the H2 is 55/290 T (II ,! to the c axis).21
Thin films have also been deposited on a Nickel substrate with a J of 3x10’° A/rn2 at the Oak Ridge National Laboratory, using a patented Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrate, (RABiTS) process 29 The RABiTS process is exciting because it is the kind of process that could be scaled up to make industrial quantities of thin-film based wires from YBCO or other HTS materials, such as TBCCO. (Whereas the OPIT process only works for BSCCO.)
Other processes could also be used such as Ion-beam deposition ( IBAD) and Combustion Chemical Vapor deposition. IBAD can grow thin-films, but requires the alignment of a template layer, which is a very slow process <0.1 nm/sec. 18 Combustion Chemical Vapor deposition, researched by MicroCoating Technologies and Oak Ridge National Lab, could also grow thin-films on Ni wires but has yet to match the performance of RABiTS.3°
Mercury Barium Calcium Copper Oxide
Mercury Barium Calcium Copper Oxide, HBCCO, is toxic and doesn’t have a J as good as YBCO, but it has the highest critical temperature, 135 K (164 K under high-pressure). New formulations and processes could make HBCCO or HBCCO related compounds more useful. 31
16

Bi-2223, этап BSCCO, имеет J 1010 A/rn2 для монокристаллических пленок (на О.Т., 77K) .27 Его высокий Т 107 К. 18
BSCCO Проволока производится на коммерческой основе порошка в трубе (OPIT) процесс американских сверхпроводниках, Intermagnetics General Corporation, и другие. Процесс OPIT используется в целях самостоятельного согласовать BSCCO кристаллы и добавить кислород, но для этого требуются дорогостоящие и массовые матрицы АГ ", которая ограничивает его инженерным потенциалом критической плотности тока. В настоящее время самые высокие инженерные критической плотности тока для BSCCO Bi-2223 OPIT провода от американского сверхпроводника. Они достигли рекордного Je 1,1 2x 108 A/rn2 для проводов свыше 200 метров в длину, усредненное 100 образцов, а максимальный J 2,3 x108 A/rn2 для короче 10 см в длину wires.24
Как BSCCO проводов улучшить, они будут более полезны, но они по-прежнему не хватает производительности, что может доставить YBCO.
Иттрий Барий оксида меди:
YBCO, достигло a Пик J 1011 A/rn2 для a тонкие пленки, нанесенные на Стронций
Титаната монокристаллов 28 YBCO имеет Т до 92 К и H2 (при 77 К) 9 / 56 т ((II
Я в кристаллографической оси C) при 4,2 K, Н2 55/290 T (II,! оси с) .21
Тонкие пленки были также нанесенных на подложку никеля с J от 3x10 '° A/rn2 в Oak Ridge National Laboratory, с использованием запатентованного Rolling-Assisted двуосно текстурированные подложки, (Rabits) процесс 29 Процесс Rabits это захватывающее, потому что это вид процесса, которые могут быть расширены, чтобы сделать промышленных количествах тонкопленочных проводников из YBCO или других материалов, HTS, таких как TBCCO. (Тогда этот процесс OPIT работает только для BSCCO.)
Другие процессы могут быть также использованы такие как ионно-лучевого напыления ( ИБАД) и горения химического осаждения паров. ИБАД может вырасти тонкие пленки, но требует согласования типовой слой, который является очень медленным процессом <0,1 нм / сек. 18 Сжигание химического осаждения паров, исследовал MicroCoating технологий и Окриджской национальной лаборатории, также может расти тонких пленок на проводах Ni, но пока достичь производительности RABiTS.3 °
Ртуть Барий Кальций оксида меди
Ртуть Барий Кальций оксида меди, HBCCO, является токсичным и не имеет J так хорошо, как YBCO, но она имеет самую высокую критическую температуру 135 К (164 K под высоким давлением). Новые формулировки и процессы могли бы сделать HBCCO или HBCCO родственных соединений более полезным. 31
16

Thallium Barium Calcium Copper Oxide
Thallium Barium Calcium Copper Oxide is also toxic and its J is about 3x10” AIm2, 31 with itsTl-2223 phase at a J of 3.25x10” Aim2 (spray pyrolyzed on ceramic).32 TBCO’s critical temperature is 110-128 K. 31 New formulations and processes could make also TBCCO or TBCCO related compounds more useful.
Superconducting Technology: What Can We Expect?:
It is not currently possible to know if a wire with Je = 1.0 x 1010 A/rn2 will ever become available in long lengths, but we have reasons to be optimistic.
The highest engineering critical current density yet reported for a commercial superconducting wire is for BSCCO-2223 OPIT wire from American Superconductor, with a Je of 1.12x108 A/rn2 for wires over 200 meters long (averaged over 100 samples) and a maximum Je of 2.3 x108 A/rn2 for shorter wires, 10 cm long.24
John Cerulli, Applications Engineer of American Superconductor, Westbourough, MA predicts progress in commercial BSCCO wire to follow a linear trend, Malozemoff’s law. (See Fig 4) If this trend continues, one can extrapolate a Je of 1.76x108 A/rn2 in 2005, a Je of 2.1x108 A/rn2 in 2010, and a Je of 2.4x108 A/rn2 around 2015 for BSCCO wires over 100 meters long. However, as previously mentioned, other HTS materials are being explored as thin films, and could lead to greater performance.
Dean Peterson, Leader of the Superconducting Technology Center at the Los Alamos National Laboratory has speculated that given adequate funding and continued progress, “it would not be unreasonable..” to reach a Je of 10 A/rn2 in 5 years, a Je of 1010 A/rn2 in 10 years, and a Je of 1011 A/rn2 in 15-20 years in tapes or wires made from thin films. In fact, Los Alamos has already made a one meter long thick-film tape of YBCO on a Nickel alloy substrate with a J of 1.2 xl 0’° A/rn2 (at 77K) and plans to lengthen it to 10 meters with the help of industry.28 The prediction of a Je of 1011 A/rn2 in 20 years, (LANL), is compared, in Fig 5, to American Superconductor’s linear trend for BSCCO wires, (ASC).
17

Таллия бария кальция оксида меди
Таллия бария кальция оксида меди также токсичные и J составляет около 3x10 " AIM2, 31 с itsTl-2223 на этапе J от 3.25x10 " AIM2 (спрей пиролиза на керамической) .32 критическая температура TBCO является 110-128 К. 31 Новые формулировки и процессы могли бы сделать также TBCCO или TBCCO родственных соединений более полезным.
Сверхпроводящих технологий: Что мы можем ожидать?:
В настоящее время не возможно знать, если провод с Je = 1,0 х 1010 A/rn2 никогда не станет доступна в длинных, но у нас есть основания для оптимизма.
Самый высокий инженерно критической плотности тока еще не сообщили, для коммерческих сверхпроводящих проводов для BSCCO-2223 OPIT проволоки от американского сверхпроводника с Je из 1.12x108 A/rn2 для проводов более 200 метров (в среднем более 100 образцов), а максимальная Je 2,3 x108 A/rn2 для коротких проводов, 10 см long.24
Джон Cerulli, Applications Engineer американской сверхпроводник, Westbourough, М. предсказывает прогресс в коммерческих проволоки BSCCO следовать линейный тренд, закон Malozemoff's. (См. рис 4) Если эта тенденция сохранится, то можно экстраполировать Je из 1.76x108 A/rn2 в 2005 году, Je из 2.1x108 A/rn2 в 2010 году, и Je из 2.4x108 A/rn2 около 2015 для проводов BSCCO более 100 метров. Однако, как уже упоминалось ранее, другие материалы HTS изучаются как тонкая пленка, и может привести к повышению производительности.
Дин Петерсон, руководитель сверхпроводящего технический центр в Лос-Аламосской национальной лаборатории предположили, что с учетом адекватного финансирования и продолжающийся прогресс, "это не было бы неразумным .." для достижения Je 10 A/rn2 на 5 лет Je 1010 A/rn2 в 10 лет, и Je 1011 A/rn2 в 15-20 лет, в лентах или провода из тонких пленок. В самом деле, в Лос-Аламосе уже сделал одно метровые толстые пленки YBCO ленты на подложке из сплава никеля с J 1,2 х 0 '° A/rn2 (при 77) и планирует продлить его на 10 метров с помощью industry.28 прогнозирование Je сравнивается 1011 A/rn2 в 20 лет, (LANL), на рис 5, с линейным трендом американских сверхпроводник для проводов BSCCO, (ASC).
17

Fig 4: Malozemoff’s Law for BSCCO Bi-2223 (Cerulli)34

Рис 4: Закон Malozemoff для BSCCO Bi-2223 (Cerulli) 34

18

18

Predicted Critical Current Density vs Time

Прогнозируемая критического тока С. Плотность Время

19

19

Robert Hawsey, Director of Superconductivity Technology at the Oak Ridge National Laboratory, also agrees that a Je of 1 A/rn2 would be a good five year goal, but was unable to speculate further.3
Dr. Hawsey stated that in order to reach a Je of 1010 A/rn2 it would be necessary to increase arnount of HTS rnaterial in tape drarnatically frorn current value of 2% and develop industrial processes to rnake long lengths of tape (on a continuous basis). Paul Berdahl, thin filrn researcher at Lawrence Berkley Laboratory, believes that, “a 1010 A/rn2 (Je) filrn wire is allowed by knowledge..”, though technical problerns exist in superconductor rnaterial deposition, rnanufacture of the substrate.36
Sorne processes, such as IBAD and RABiTS, seern to be headed in this direction, but, considering the difficulty of aligning HTS grains (within 10 degrees) it will take significant work and tirne and funding to continue progress. Not everyone has an equally optirnistic short-terrn projection. Dick Blaugher of the National Renewable Energy Laboratory, thinks Los Alarnos is unlikely to have long wire with a Je of 1 0 A/rn2 in five years but like rnany other researchers, did not wish speculate farther into the future.
Table 2. Peak Critical Current Densities Summarized (in A/rn2)

Роберт Hawsey, директор Сверхпроводимость технологий в национальной лаборатории Oak Ridge, также считает, что Je 1 A/rn2 бы хорошим пятилетнего цель, но не мог предположить further.3
Доктор Hawsey заявил, что в целях достижения Je 1010 A/rn2 было бы необходимо увеличить arnount из HTS rnaterial в ленте drarnatically frorn текущего значения 2% и разработке промышленных процессов rnake длинные ленты (на постоянной основе). Поль Berdahl, тонкий исследователь filrn в лаборатории Лоуренса Беркли, считает, что "1010 A/rn2 (ЯЭ) filrn проволоки допускается знания .. ", хотя технические problerns существуют в сверхпроводнике осаждения rnaterial, rnanufacture из substrate.36
Sorne процессы, такие как ИБАД и Rabits, seern будет возглавлять в этом направлении, но, учитывая сложность согласования HTS зерно (в пределах 10 градусов) потребуется приложить значительные работы и tirne и финансирование для продолжения прогресса. Не каждый имеет одинаковую optirnistic краткосрочных terrn проекции. Дика Blaugher Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, считает Лос Alarnos вряд ли длинный провод с Je 1 0 A/rn2 в течение пяти лет, но, как rnany другими исследователями, не хотел спекулировать дальше в будущее.
Таблица 2. Пика Критическая плотность тока Резюме (в A/rn2)

*Assurned to equal J/50, ie. 98% substrate

* Assurned равной J/50, то есть. 98% подложка

20

20

Conclusions of Superconductor Trade Study:
The performance, current-density to mass-density ratio, of the best available superconducting wire, American Superconductor’s BSCCO Bi-21223-OPIT wire, is two orders of magnitude below the value assumed for practical applications by Zubrin and Andrews. It is however sufficient for a proof-of-concept demonstration. As shown by Zubrin and Andrews in earlier studies, a magsail’s acceleration can be treated as effectively reducing the solar gravity to fraction of its original value, a, resulting in an orbit with a new semi-major axis and apoapse. The acceleration without payload, self- acceleration, is calculated using equation 1, and, a is calculated from the canonical orbit equation -a/2a=V2/2-a/R (where R=V=1 for Earth, and a= semi-major axis in au). A current state-of-the-art MagSail with no payload could obtain an, a of 0.9698 and an aphelion of 1.064 AU. Near term advances in YBCO thin-film wires should allow an aphelion greater than 1.067 AU. Even without other performance boosting techniques, described later in this report, such advances should be more than adequate for a demonstration flight to a Near-Earth Object.
In five years, wire current density could be within a magnitude of Zubrin and Andrews’ baseline value. With a small reduction in mass density from current values, such a wire would allow a MagSail, without payload or support structure, to compete with solar sails. The acceleration would rise to 8.85 x 1 0 m/s2 and the aphelion would increase to 1.42 AU, nearly to Mars!
The ultimate performance of a MagSail, based on YBCO thin-film, could exceed the base-lined Je (1010 A/rn2) by an order of magnitude for interplanetary travel and perform two orders of magnitude better at the low temperatures of interstellar space.
Table 3 compares magsail present and predicted performance as a function of current density.
21

Выводы сверхпроводник торговли Исследование:
Производительности, плотности тока для массового удельная плотность, наилучших имеющихся сверхпроводящих проводов, американский сверхпроводник's BSCCO Bi-21223-OPIT провода, на два порядка ниже стоимости предполагается, для практического применения Зубрин и Эндрюс. Это, однако, достаточных для доказательства концептуальный демонстрацию. Как показал Зубрин и Эндрюс в ходе предыдущих исследований, ускорение magsail может рассматриваться как эффективное снижение солнечной тяжести часть своей первоначальной стоимости, в результате чего на орбиту с новой большой полуоси и apoapse. Ускорение без полезной нагрузки, самоускорением, рассчитывается с помощью уравнения 1, и рассчитывается по уравнению канонических -a/2a орбиты = V2/2-a/R (где R = V = 1 для Земли, а = Большая полуось в АС). Нынешнего состояния самого современного MagSail, не могут получить полезную нагрузку, и от 0,9698 Большая 1.064 АС. Ближайшем будущем прогресс в YBCO тонкопленочных провода должны позволить афелий больше, чем 1,067 АС. Даже без повышение производительности другие методы, описанные далее в этом докладе, эти достижения должны быть более чем достаточно для демонстрационного полета на околоземных объектов.
В течение пяти лет, проволоки плотность тока может быть в пределах величины Зубрин и базовые значения Эндрюс. Имея небольшие сокращения в средствах массовой плотностью от текущих значений, таких проводов позволит MagSail, без полезной нагрузки или структуры поддержки, чтобы конкурировать с солнечными парусами. Ускорение вырастет до 8,85 х 1 0 м/с2 и афелий увеличится до 1,42 АС, почти на Марс!
Предельной производительности MagSail, основанные на YBCO тонкая пленка может превышать базовый картонных Je (1010 A/rn2) по порядку величины для межпланетных путешествий и выполнить два порядка лучше при низких температурах межзвездного пространства.
Таблица 3 сравнивает magsail нынешней и прогнозируемой производительности в зависимости от плотности тока.
21

Equation 1:2

Уравнение 1:2

Самоускорение (ускорение кабеля без полезной нагрузки)

I = 4HX 107N/A2
P = 8 35 x1021 kg/rn3
5x105 V MIS
РМ в км
Я = 5x1O усилители Pm В Kg/rn3

(Вакуум permittivitv постоянная)
(Солнечный ветер плотности)
(Солнечная скорость ветра)
(Радиус MagSail петля)
(MagSail текущем цикле)
(Ivlagsail катушку плотности)

TABLE 3: Magsail Missions

ТАБЛИЦА 3: Magsail миссий

Assurnes = 02 , примерно пропорционально настоящее HT S / соотношении субстрат B Assurnes капля в VIRE плотности

= 1 -- (Self-AccelerationiSolar гравитационного ускорения 6 х L0 mis2)

22

Magsail Systems Design

Magsail Systems Design

Baseline Magsail Designs
For purposes of engineering analysis, two baseline magsails were proposed as part of the present study. The first, the Demonstrator, is a 200 m radius, 90 kg unit utilizing state of the art BSCCO wire capable of moving a 10 kg payload from 1 AU to 1.027 AU. This has limited practical value but would effectively demonstrate magsail technology. The Operational magsail is a 20 km radius, 10.8 tonne spacecraft employing relatively near- term YBCO technology capable of moving a 11 tonne payload from 1 AU to Mars in a direct flight. Such a spacecraft obviously would have great utility. The requirements of these two spacecraft designs were assessed in the engineering studies below.
Coil Geometry Trade Study:
Introduction:
Because current density increases as temperature decreases, it is essential to keep the coil temperature as low as possible to attain the maximum current density. It is also necessary to use lightweight material to minimize total magsail system mass and maximize
performance.

Базовый Magsail образцов
Для целей технического анализа, два базовых magsails были предложены в качестве части настоящего исследования. Во-первых, демонстранты, является 200 м радиус, 90 кг шт использованием современных BSCCO проволоки способных двигать 10 кг полезной нагрузки от 1 до 1,027 АС АС. Это имеет ограниченную практическую ценность, но будут эффективно продемонстрировать magsail технологий. Magsail Оперативная является радиусе 20 км, 10,8 тонны с использованием кораблей относительно ближайших YBCO технологий способных двигать 11 тонны полезной нагрузки от 1 АС к Марсу в прямой полет. Такой корабль, очевидно, будет иметь большой пользы. Потребности этих двух дизайнов кораблей были оценены в инженерных исследованиях ниже.
Катушка геометрии торговли Исследование:
Введение:
Поскольку плотность тока возрастает, как температура снижается, очень важно держать температуру катушку как можно ниже, чтобы достичь максимальной плотности тока. Необходимо также использовать легкий материал, чтобы свести к минимуму общую magsail системы массового и максимизации
представление.

Ag-тефлон
10 градусов - +

Матрица

накаливания
Изоляция / связующее

Крупным планом просмотр сверхпроводящих проводов

Поперечное сечение supcrconductrng петля

Однонитевых ИРЭ обмотанный до делать ioop

Рис 6: Кабельный геометрия

23

The main coil consists of a loop of superconducting wire, covered with Multi-layer insulation (MU) with a wedge-shaped cross-section The layers of IVIUI widen closer to the top, to act as a sunshade. The top layer of IVIUI is coated Silvered-Teflon (Ag-Tef.). The bottom layer of MU and the exposed surfaces of the wire are coated with white epoxy paint to increase the thermal energy radiated into space and minimize temperature.
These materials were chosen to allow the wire to cool to the lowest possible temperature, using current lightweight materials. Due to the geometry of the IVIUI, the cable will have a pointing margin of ± 10 degrees. (See Fig 6)
Results:
A wire with a square cross-section wire was chosen for ease of manufacture and compact size. Maximum temperatures were determined from the Thermal Transport Equations (see next page).
The temperature of the Ag-Teflon coated upper surface was approximated as 305.8 K, hot enough to radiate all solar energy absorbed by the aged Ag-Teflon. This maximum was used as the starting temperature for the top of the first IVIUI layer.
Before the Ag-Teflon surface ages (9 months to 4 years), its temperature will be colder
than 305.8 K. Its (fresh) solar absorptivity of 0.08 will asymptotically increase to 0.24 1,
the value used in calculations. 38
IVIUI performance was modeled as several 1 mm thin layers. In each layer, temperatures were estimated by setting the energy conducted through the layer per m2, (k A T )/AX, equal to the energy radiated away by the bottom of the layer per m2, E oc Af T4 MU bot. The calculations used the Fick’ s Law approximation to radiative transfer (Lockheed Correlation) which has been shown to accurately model radiative transfer in IVILI coverings in many past aerospace industry studies.
Each layer has a shape factor, Aft0 account for heat loss through the sides. The shape factor is equal to the area of the sides and bottom of the IVILI layer divided by the area of the top of the IVILI layer. Both the area intersected by the wire and IVILI (with the emissivity of the white epoxy) and the area of the IVIUI sides (with the emissivity of Aluminum) was used to calculate the temperature of the bottom of the lowest IVIUI layer and the temperature of the wire. The wire was assumed to be in thermal equilibrium with the lower side of the bottom layer of IVIUI and with its white epoxy coating (see Fig. 7:
Calculating IVIUI Areas and Table 4: Thermal Transport Equations on next page)
24

Основными катушка состоит из цикла сверхпроводящих проводов, покрытых многослойной изоляцией (MU) с клиновидного сечения слоев IVIUI расширить ближе к началу списка, чтобы действовать в качестве зонтика. Верхний слой IVIUI покрыты посеребренный-тефлон (Ag-Tef.). Нижний слой MU а оголенные поверхности проволоки покрытой белой эпоксидной краской на увеличение тепловой энергии излучается в пространство и свести к минимуму температуры.
Эти материалы были выбраны, чтобы проволока для охлаждения до минимально возможного уровня температуры, используя современные легкие материалы. В связи с геометрией IVIUI, кабель будет иметь показывая разницу до ± 10 градусов. (См. рис 6)
Результаты:
Проволока квадратного сечения проводов была выбрана для простоты изготовления и компактными размерами. Максимальные температуры определялись по тепловому уравнения переноса (см. следующую страницу).
Температура Ag-тефлоновое покрытие верхней поверхности аппроксимируется 305,8 К, достаточно горячие, чтобы излучать все солнечной энергии, поглощенной в возрасте Ag-тефлон. Этот максимум был использован в качестве отправной температура в верхней части первого слоя IVIUI.
Перед Ag-тефлоновая поверхность возрастов (от 9 месяцев до 4 лет), его температура будет холодней
чем 305,8 К. Его (свежие) поглощения солнечной 0,08 будет асимптотически увеличится до 0,24 1,
значение используется в расчетах. 38
IVIUI производительность была смоделирована как 1 мм нескольких тонких слоев. В каждом слое, температуры оцениваются путем установления энергии осуществляется через слой за м2, (К в) / AX, равной энергии излучается езды на дно слой за м2, E OC T4 М MU Bot. Для расчетов использовались Фика 'S Закона приближения переноса излучения (Lockheed корреляция), который был проявлен к точной модели переноса излучения в покрытиях IVILI во многих последних исследованиях аэрокосмической промышленности.
Каждый слой имеет форму фактор, Aft0 за счет потерь тепла через стороны. Форма фактор равен области бокам и внизу слой IVILI, разделенная на площадь верхнего слоя IVILI. Обе области пересекается с проволокой и IVILI (с черноты белые эпоксидные смолы) и в районе сторон IVIUI (с излучательной алюминия) была использована для расчета температуры в нижней части нижнего слоя IVIUI и температуры проволока. Проволока Предполагается, что в тепловом равновесии с нижней стороны нижнего слоя IVIUI и с его белым эпоксидным покрытием (см. рис. 7:
Расчет IVIUI районам и Таблице 4: Тепловая уравнения переноса на следующей странице)
24

Рис 7: Расчет ML! Области:

 
4 Среднего или высшего I Layer

 
Нижняя MU Лакса КИ и IIE
Side Площадь IvifiT, E0 034 (алюминий)
Площадь вокруг MU нижний слой и слой проволоки и проволоки, E = 0 924 (белый эпоксидной краской)
• • • • Я Топ области одеяло MU
Тепловая энергия транспорт

Таблица 4: Тепловая Equations38 транспорту
a = поглощения солнечного
(EOL-End жизни значения usedfor Ag-тефлон, 024], а не of.08
области коэффициент формы = области верхнего слоя IVILI! эффективной излучающей области нижнего слоя, включая боковые потерями
S = излучательная (EAL 0034, EWF [0924, 8 066)
K = Теплопроводность MU 6 3 х 10! М К
SC = Солнечная постоянная = 1358 W! M2at 1 АС
GBC = Стефана-Больцмана = 5 67 х 10 8w'm2K1
Энергии ци из ВС поглощается Ag-тефлон за м2 (Top MU поверхности)
Q2 Энергия, излучаемая Ag-тефлон за м2 (Top IVILI поверхности)
= Максимальная температура Ag-тефлон
Му Топ температура верхнего слоя MU
'MUIboC температуры нижнего слоя MU
AX = толщина слоя MU
Ци = A1 SC
Q2 2 5I 0Bc "Я
"Я MAX [ A1 SC! S1 0Bc
Му бота = T . JJJ Верх + (AX SAL 0Bc ASF! K) Т MU Top - для среднего слоя MU
'\ IUI бота Т р Вверх + (AX 0BC (± A5f \ IUI стороны эпоксидной Asfloei \ IUI srnface середине подвергается Wile) &) Т р Вверх -- LOI нижнем \ IUI Ua) Эль -

26

thermal Analysis Results:

тепловой Результаты анализа:

The calculated temperature (Fig 8) of the magsail wire decreases as IVILI thickness increases, with the most pronounced drop occurring in the first few layers. As the wire temperature drops, current carrying ability increases. At approximately 18 layers, the performance gain from thicker IVILI, and colder superconducting wire levels off due to mass increase. (Assuming a linear relationship in Je vs. T similar to BSCCO, described

Расчетная температура (рис. 8) magsail уменьшается провод IVILI толщина увеличивается, с наиболее выраженными падение цен произошло в первые несколько слоев. Как капли проволоки температура, текущее несущую способность возрастает. Примерно в 18 слоев, прирост производительности от IVILI толще, а холодные сверхпроводящих проводов уровней отменялись в связи с массовым увеличением. (Исходя из линейных отношений в Je против Т аналогичные BSCCO, описанные

later.)

позднее).

Проволока TEMPERATURE VS MLI толщина

MLI толщина (1 мм на слой)

Fig 8: Calculated Wire Temperature

Рис 8: расчетная температура проволоки

A small peak in the current to coil mass ratio (Fig 9), and payload carrying ability (not shown) is calculated for a 20 km radius operational magsail with an 18 mm thick IVILI

Небольшой пик в ток на катушке массе (рис. 9), а также полезную нагрузку несущей способности (не показаны) рассчитан на 20-километровом радиусе оперативной magsail с толщиной 18 мм IVILI

covering.

покрытие.

Массовые CurrentlCoil

MLI толщина (1 слой в мм)

Fig 9: Current to Coil Mass ratio

Рис 9: тока катушки Массовая доля

26

Additional Limitations, Concerns and Comments:
1) ML! blanket performance:
Wire temperature is very sensitive to IVILI blanket and coating performance. In this design, MU heat transport, which is primarily radiative, is modeled using an effective conduction factor k. The Ag-Teflon coating chosen, is commonly used on IVIUI, and has much better mechanical characteristics (less brittle) than higher performing Ag-Quartz. These blankets typically have a density of 154 kg /m3 .
2) Thermal control surfaces:
This design uses a Silver-Teflon solar absorptivity of 0.24 1 (End of Life value) and an emissivity of 0.66. The White-Epoxy paint emissivity is 0.924.
The MU blanket is wider than strictly necessary to provide a +1- 10 degrees pointing margin. Using wider MU could increase this margin. If the superconducting wire and IVILI becomes misaligned by more than 10 degrees, it will become illuminated and heat up, causing allowable current in the magsail to drop, possibly leading to a loss of superconductivity
3) Temperature gradients:
In this analysis, a negligible temperature difference, delta T, across the superconducting wire coil was assumed. This approximation will be most applicable for early superconducting wires, which have superconducting filaments in relatively massive metal matrices. More advanced superconducting wire coils may have larger delta T’s, across them, but may be able to compensate by using better thermal control coatings and structures. Future wires may also be able to operate at higher temperatures.
4) Cable strength:
Future designs could use filaments internally for strengthening as long as they do not significantly decrease heat flow to radiating surfaces, but were not found necessary in these designs.
27

Дополнительные ограничения, проблемы и комментарии:
1) ML! одеяло производительность:
Проволока температура очень чувствительны к IVILI одеяло и покрытие производительности. В этой конструкции, MU перенос тепла, которое в основном радиационное, является моделируются с помощью эффективного коэффициента проводимости k. Ag-тефлоновым покрытием выбранного варианта, обычно используемых на IVIUI, и гораздо лучше механических характеристик (менее хрупким), чем выше исполняющей Ag-кварц. Эти одеяла обычно имеют плотность 154 кг / м3 .
2) Тепловая контроль поверхности:
Эта конструкция используется серебро-тефлон поглощения солнечной 0,24 1 (в конце стоимости жизни) и черноты 0,66. Бело-эпоксидной краской излучения является 0,924.
Одеяло MU шире, чем строго необходимо для обеспечения +1- 10 градуса указывая разницы. Использование более широкого MU могут увеличить эту разницу. Если сверхпроводящие провода и IVILI становится смещена более чем на 10 градусов, она станет освещения и тепла вверх, в результате чего допустимый ток в magsail снижаться, что может привести к потере сверхпроводимости
3) градиенты температуры:
Было принято в этом анализе, незначительной разницей температур, дельта T, через сверхпроводящих проводов катушки. Это приближение будет наиболее приемлем для раннего сверхпроводящих проводов, которые сверхпроводящих нитей в относительно массовых металлической матрицы. Более продвинутые сверхпроводящей проволоки могут иметь большее Delta T's, через них, но может быть в состоянии компенсировать с помощью лучшего теплового контроля покрытий и структур. Будущие провода могут быть также могут работать при более высоких температурах.
4) Кабельные прочности:
Будущие конструкции можно использовать внутри нитей для укрепления тех пор, пока они не оказывают существенного уменьшения потока тепла к излучающей поверхности, но не были найдены необходимые в этих конструкций.
27

Primary Power Trade Study:
Introduction:
The primary power subsystem supplies power for the spacecraft’s systems, including the superconducting coil, and control and communication functions.
It is assumed that the biggest use of power will be energizing the magsail coil and that other systems will use secondary power during that time, though primary power can be tapped at the expense of a longer coil charging time.
To obtain the lowest primary power subsystem mass, and thus the highest acceleration/highest payload capacity, it is desirable to have a primary power subsystem with the:
• highest power density possible.
• needed range in power output
• needed range in distance from the Sun
• as much heritage as possible.
Once the magsail’s payload mass and coil performance are determined, the primary power subsystem main drivers are:
• the rate at which the main coil is energized
• distance from the Sun.
In these designs 24 hours has been chosen as a reasonable charge/discharge time, to allow the magsail to travel from Earth Heliocentric Orbit. More advanced designs could use a shorter 30 minute charge time to escape from Earth orbit, via orbit pumping against the geomagnetic poles, and to allow quicker capture at other planets.14
The energy (in Joules) ending up in the coils = ‘/2 LI2 = Y2 B A I. (Where L= inductance, B= magnetic field strength in Tesla, A= total area enclosed by coils in m2 = enclosed area of one coil times # of coils, I = total current in loop in Amps, and B=Bm =.i 1/2 Rm ( The B at the center of the loop)
The solar array power requirement includes a multiplier of 1.25 for power conversion loss, 1.4 for End-of-Life-Loss and 2.3 for solar power systems to adjust for the reduced light intensity at Mars. The total multiplier is 4.1. The magsail demonstrator would stay near 1 AU and would therefore have a multiplier of 1.68.
Much beyond Mars, nuclear sources would be needed to charge the magsail. Nuclear power requirements include a multiplier of 1.25 for power conversion loss, 1.4 for End-of life loss, and 1.2 for margin. The total multiplier is 2. 1.
28

Первичные исследования торговли электроэнергией:
Введение:
Подсистема питания первичных источников питания для систем корабля, в том числе сверхпроводящие катушки, а также контроль и коммуникационные функции.
Предполагается, что крупнейшим применение силы будет активизация magsail катушку и другими системами, что будет использовать средней мощности в течение того времени, хотя первичные власти могут быть использованы в ущерб более катушку зарядки.
Чтобы получить самую низкую первичной массовой подсистема власти, а значит самый высокий ускорение / высокая грузоподъемность, желательно иметь первичные подсистемой питания с:
• высокая плотность мощности Возможно.
• Необходимо диапазон мощности
• Необходимо Диапазон расстояний от Солнца
• как многое наследия насколько это возможно.
После определения массы полезной нагрузки magsail и катушки производительности, основная подсистема власти Основными факторами являются:
• Скорость, с которой подается основной катушки
• Расстояние от Солнца.
В этих конструкций 24 часа была выбрана в качестве разумного заряда / разряда времени, чтобы позволить magsail путешествовать от Земли на гелиоцентрической орбите. Более сложные конструкции можно использовать более короткую 30 минут зарядки, чтобы вырваться из орбиты Земли через орбиту насосных против геомагнитного полюса, а также позволяет быстро захватить в других planets.14
Энергии (в джоулях), заканчивающийся в рулонах = '/ 2 LI2 = Y2 Б. I. (Где индуктивность L =, B = магнитного поля в Тесла, А = общая площадь, заключенная в рулонах m2 = огороженной территории одного раза в катушке # катушек, я = Всего в текущем цикле в амперах, а B = Bm =. I 1 / 2 Rm ( B в центре цикла)
Требуемая мощность солнечных массив включает мультипликатором 1,25 за власть потери преобразования, 1.4 для конечного срока службы-лосс и 2,3 для солнечных энергетических систем, чтобы настроить на сокращение интенсивности света на Марс. Общий множитель 4,1. Magsail демонстратор останется около 1 АС и не будет иметь множитель 1,68.
Далеко за пределы Марса, ядерные источники будут необходимы для заряда magsail. Требования ядерной энергетики включать мультипликатором 1,25 для преобразования энергии потерь, 1,4 в связи с прекращением жизни потеря, и 1,2 для края. Общий множитель 2. 1.
28

Power Densities:

Плотность мощности:

A power density of 50 W/kg is used for present solar arrays. The ultimate performance of solar arrays is assumed to be double the 1998 prototype value of 130 W/ kg.
For outer solar system use, current state-of-the-art power densities, from Cassini, are 5 W/kg. However, the Advanced Radioisotope Power System (ARPS) with 7 W/kg should become available in a few years and an even better AMTEC radioisotope system could attain 12.3 W/kg in a 5-10 yr. time frame. Nuclear reactors may become favorable for very large magsails with increased power demands
Table 5: Primary Power System: °

Плотностью мощности 50 Вт / кг предназначен для настоящего солнечными батареями. Конечная эффективность солнечных батарей предполагается удвоить 1998 прототипом значения 130 Вт / кг.
Для использования космической солнечной системе, нынешнего состояния самой современной плотности мощности, от "Кассини", в 5 Вт / кг. Тем не менее, перспективных радиоизотопных Power System (АРПС) с 7 Вт / кг должны стать доступными в течение нескольких лет и даже лучше AMTEC радиоизотопные системы может достичь 12,3 Вт / кг в год на 5-10. сроки. Ядерные реакторы могут стать благоприятным для очень больших magsails с увеличением потребности в электроэнергии
Стол 5: Primary Power System: °

a State-of-the-art for (‘assini
b Specific power densities have been reported tip to 130 W kg for advanced solar arrays42

a Государство-Of-The-искусства ( 'assini
B Конкретные плотности мощности сообщалось кончика до 130 кг без повышения солнечной arrays42

Table 6: Power Density at 1 AU

Таблица 6: плотность мощности на 1 АС

Conclusion:
Despite losing efficiency with distance, photovoltaics are competitive with RTG’s in the inner solar system. For outer solar system use, nuclear power sources are the best (and only) choice.

Вывод:
Несмотря на потерю эффективности, с расстояния, фотоэлектрические конкурентоспособных с РИТЭГ в Солнечной системе. Для использования космической солнечной системы, ядерные источники энергии являются лучшими (и только) выбор.

29

29

Current Injection:
Configuration:
The current injection system consists of a solar (or AMTEC) power source, power supply lines, and the power controllers. For redundancy, and symmetric mass distribution, three separate sets of current injection systems could be used, each with the capacity to handle the full current, and supply one-third of the power. Each system would have a “disengaged” default setting to keep the magsail loop circuit closed in the case of injector malfunction or inactivity.
In order to reduce the mass of power transfer lines, the current injection systems would placed under the solar arrays, which in turn would be placed on the rim of the magsail next to the magsail loop. This would have the added benefit of shading the power control and injection equipment and part of the cable.
Operation:
In each injection system, the current will flow from the power source(s) through power lines into the controller. The power will be fed through all but a few centimeters of the magsail loop, nearly completing an entire circuit. The current is then shunted to back into the controller, which continually adds energy and completes the circuit. The entire loop will act as a large inductor.
The superconducting wire will be composed of many smaller filaments to reduce the total current needed. For instance if the Operational magsail uses a cable 2.35 x 2.35 mm comprised of 529 individual filaments, each about 0.1 mm x 0.1 mm, the current needed would drop by a factor of 529, as compared to a single wire. Each filament would include a thin electrical insulation coating, whose mass and impact on overall current density is assumed negligible,
For the full sized magsails in this report, the loop self-inductance, L
= B i/I = n PB one loop /T
= n2(FTR2B)/I
= i0flRn2/2
for
R=Rm=2x 104m,
BBm jionl/2R
n=#01i, total current = nI,
current in filament = I
dI/dt=-(EMF/L).

Текущие Injection:
Конфигурация:
Нынешняя система впрыска состоит из солнечной (или AMTEC) источник питания, блок питания линиями, и власть контроллеров. Для резервирования, а симметричное распределение массы, тремя отдельными наборами текущей системы впрыска топлива могут быть использованы, каждая из которых в состоянии выполнять полный ток, и поставка одной трети мощности. Каждая система будет иметь "выключено" умолчанию, чтобы сохранить схему magsail петля замкнута в случае выхода из строя инжектор или бездействия.
В целях уменьшения массы линий передачи власти, нынешние системы впрыска топлива будут поставлены под солнечными батареями, которые, в свою очередь, будет сделан на ободе magsail рядом с magsail цикла. Это будет иметь дополнительные преимущества затенение контролем власти и инъекционного оборудования и части кабеля.
Операция:
В каждой системы впрыска, нынешние будут поступать от источника питания (ы) с помощью линий электропередачи в контроллер. Власти будут поданы на всех, но в нескольких сантиметрах magsail цикла, завершение почти всей схемы. Нынешний затем шунтируется чтобы обратно в контроллер, который непрерывно добавляет энергию и завершает цепь. Весь цикл будет выступать в качестве большой индуктивности.
Сверхпроводящих проводов будет состоять из множества маленьких волокон для уменьшения общего текущей необходимости. Например, если magsail практического использования кабеля 2,35 х 2,35 мм состоит из 529 отдельных нитей, длиной около 0,1 мм х 0,1 мм, необходимых текущих снизится на коэффициент 529, по сравнению с одним проводом. Каждая нить будет включать электрические тонких покрытий изоляции, масса которых и влияние на общую плотность тока предполагается незначительным,
Для полноразмерного magsails в этом докладе, цикл самоиндукции, L
= B I / I = N PB один петля / T
= N2 (FTR2B) / I
= i0flRn2 / 2
для
R = Rm = 2x 104M,
BBM jionl/2R
N = # 01I, всего текущего = Н.И.,
В текущем накаливания = Я
DI / DT =- (ЭМП / л).

30

Ii or a 20 km radius magsail using a multistrancleci wire with L I. II x 10 H, a constant
EMF of 3.86 Volts will increase the current in a magsail loop by 3.49 x 1 O A/s. After
24 hours, the power flowing into the circuit will rise to 151.9 W, and the magsail loop
would reach its final current of 1.596 x i04 A (with 30.17 A in each strand).
If power margins are gained by increasing voltages, the Solar magsail needs 15.82 V, 622.8W, the AMIEC magsail needs 8.10 V, 319.0W.
The magsail Demonstrator, (L=20. 00) would need 91.9 seconds to charge up to 4.60 A/filament at 1.0 V and 4.60 W. (This assumes a voltage below 1 V would be impractical) Adding margin, 1.68 V and 7.73 W would be needed
During charge-up the entire current will be flowing through the magsail and power controller. In order to keep current from falling after charge-up, a superconducting switch will close to complete to magsail circuit and a switch to the power controller will be opened. If any minor losses still exist, they can be detected by monitoring the magsail’s magnetic field and topping off the current as needed. (This will probably be necessary for early BSCCO based demonstrators which will experience current decay due to flux creep.)
To charge up the 20 km solar powered Operational magsail in only 30 minutes, in Earth orbit rather than heliocentric orbit, would require a much larger power source, resulting in lower payload capacity. The 20 km solar magsail would require 759.3 V, 22.91 kW, with margin. The 20 km AMTEC magsail would require 3.89 V, 1.17 kW, with margin.
31

Ii или 20 км радиус magsail помощью multistrancleci провод с Л. И. II X 10 Я, постоянный
EMF 3,86 Вольт позволит увеличить в текущем цикле magsail по 3,49 х 1 О.А. / С. После
24 часа, власть, впадающие в схеме вырастет до 151,9 Вт, а magsail петля
достигнет своей окончательной тока 1,596 х I04 (с 30,17 на каждую прядь).
Если власть маржи приобрели за счет увеличения напряжения, magsail Солнечной потребности 15,82 V, 622.8W, magsail AMIEC потребности 8,10 В, 319.0W.
Magsail демонстратор, (L = 20. 00) потребуется 91,9 секунды заряд до 4,60 / накаливания на 1,0 В и 4,60 W. (Это предполагает напряжение ниже 1 В бы непрактично) Добавление разницы, 1,68 В и 7,73 Вт Необходимо будет
Во время заряда-вверх весь текущий будет течь через magsail и мощности контроллера. Для того чтобы сохранить текущий от падения после предъявления обвинения деятельности, сверхпроводящих переключение будет близок к завершению, чтобы magsail схемы и перейти к власти контроллера будет открыта. Если несовершеннолетний потерями еще существуют, они могут быть обнаружены путем наблюдения за магнитным полем magsail и долива от текущей по мере необходимости. (Это, вероятно, будет необходима для раннего BSCCO основанные демонстрантов которая текущий опыт распада из-за крипа.)
Для зарядки до 20 км от солнечных батарей Оперативная magsail лишь 30 минут, на околоземной орбите, а не гелиоцентрической орбите, потребует гораздо большего источника питания, что привело к снижению грузоподъемности. 20 км солнечной magsail потребует 759,3 V, 22,91 кВт, с краю. Magsail 20 км AMTEC потребует 3,89 В, 1,17 кВт, с краю.
31

Connection to Power System:
Low capacity power or control lines could be threaded from the solar arrays and power controller through the tethers to the central hub if desired, but should not be necessary.
The mass budget of the power control and distribution subsystems (excluding power supply) is included in the mass budget of the central hub/support equipment.
Magsail
Loop
___________ Switch
Solar Array Power
or AMTEC Controller
Lo Power Line Switch
Solar Array or AMTEC th Sunshield
Fig 10: Current Injection Cunent

Подключение к источнику система:
Низкая мощность или контроля линия может быть резьбовыми от солнечных батарей и мощности контроллера через тросы для центрального узла, при желании, но не должно быть необходимым.
Массовая бюджет контроля и распределения электроэнергии подсистем (без питания) входит в средствах массовой бюджет центрального узла / Поддержка оборудования.
Magsail
Loop
___________ Выключатель
Солнечная батарея Сила
или AMTEC Контроллер
Lo Power строки
Солнечная батарея или AMTEC й солнцезащитным
Рис 10: Текущий инъекций Cunent

32

32

Shroud Lines:
Shroud lines are needed to attach the payload and control systems to the magsail coil. The shroud lines do not take up any stress from the current loop. Magsail accelerations are very small, so the worst stress on the shroud lines will be from shifting the magsail’s center of mass to control attitude. As an example, to move the magsail center-of-mass by 2.0 km in an hour one (10 % of the radius), the current loop would have to move an average of 0.556 mIs. By accelerating to a peak velocity halfway before slowing down, a maximum kinetic energy of 6,697 J would be attained in moving a 10,849 kg magsail payload. This corresponds to an average power requirement of 3.72 W. The required acceleration would only be 6.17 x 1 0 mis2, (Vmax/3 0 minutes), corresponding to a force of 6.70 N (1.51 lbf)
Three strands of Spectra® fibers from Allied Signal would more than fill the tether requirements for strength. Spectra is one of the lightest, strongest, and UV resistant commercial aerospace fibers available. However considering the low mass of these fibers relative to the mass of the rest of the magsail, it would be prudent to use larger tethers designed to survive micro-meteoroid strikes over the period of many decades. Tethers Unlimited already makes ultra long life tethers for space applications. These “Hoytethers” are made from Spectra 2000 and have anticipated lifetimes of several decades. According to Dr. Robert Hoyt, a tether flown on the ProSeds mission had a mass of only 1,820 g for a 10,300 m length. This tether had a wound volume of 3,640 cm3, and a breaking strength of 200 N. While tethers could be made smaller than this, there are limitations due to the size of the secondary, knitting, lines.46
In the magsail designs, three scaled up ProSeds tethers can be used for the shroud lines. An 24 km shroud line would have a mass of 4.24 kg, a breaking strength of 200 N, and a wound volume of 8,481 cm3.
If the superconducting wire can be cooled to a superconducting state before deployment, the shroud lines could be deployed by charging up the magsail. After releasing the shroud lines, the magnetic fields generated would cause the magsail to inflate. As the shroud lines unwound off their spools, the magsail line spools, housed with the solar arrays and current injection systems, would move outwards. The magsail line spools, containing the magsail wire and insulation, would move farther away from each other and unreel. For deployment the charge time will probably be lengthened to minimize stresses on the current loop, but remain shorter than the deployment time.
33

Плащаница Lines:
Плащаница линий необходимо приложить полезной нагрузки и системы контроля для magsail катушку. Плащаница линии не занимать любой стресс из текущего цикла. Magsail ускорений очень малы, поэтому худшее напряжение на плащанице линия будет от переход центра magsail массового контролировать отношения. Например, чтобы переместить magsail центра масс на 2,0 км в час один (10% от радиуса), токовая петля будет переезжать в среднем 0,556 MIS. По ускорение до максимальной скорости на полпути до замедляется, максимальная кинетическая энергия 6697 J будут достигнуты в продвижении 10849 кг полезной нагрузки magsail. Это соответствует средней требования сила 3,72 Вт требуемое ускорение будет лишь 6,17 х 1 0 mis2, (Vmax / 3 0 минут), соответствующая сила 6,70 Н (1,51 фунтов)
Три нити Спектр волокон ® от Allied Signal будет больше, чем заполнять страховочного троса требования к прочности. Спектр является одним из самых легких, сильных, и УФ-устойчивые коммерческие волокон аэрокосмической доступны. Однако при низкой массе этих волокон по отношению к массе остального magsail, было бы разумно использовать большее Тросы, направленных на выживание микро-метеорных ударов за период многие десятилетия. Тросы Неограниченный уже делает сверхдлинных Тросы жизни космической техники. Эти "Hoytethers" изготавливаются из спектров 2000 и предполагалось жизни нескольких десятилетий. По словам доктора Роберта Хойт, страховочного троса пролетов о Миссии ProSeds имел массу всего лишь 1820 г для 10300 м длиной. Это страховочного троса была рана объемом 3640 см3, а также прочность на разрыв 200 Н. Хотя Тросы могут быть сделаны меньше этого, существуют ограничения в связи с размером средней, вязание, lines.46
В magsail дизайна, три расширены ProSeds Тросы могут быть использованы для плащаницы линий. 24 км строп будет иметь массу 4,24 кг, прочность на разрыв 200 Н, и рана объемом 8481 см3.
Если сверхпроводящих проводов может быть охлажден до сверхпроводящего состояния перед развертыванием, плащаницы линия может быть развернута зарядки до magsail. После выпуска плащаницы линий магнитных полей, генерируемых вызовет magsail раздувать. Как саван линия раскручивается с их катушки, катушки magsail линия, размещались с солнечными батареями и текущей системы впрыска топлива, будет двигаться наружу. Magsail катушки строку, содержащую magsail проводов и изоляции, будут двигаться дальше друг от друга и разматывать. Для развертывания время зарядки, возможно, будет увеличена до сведения к минимуму нагрузку на текущем цикле, но остается меньше времени развертывания.
33

Deployment of Magsails in a Non-Superconducting State via Magnetic Fields
Of all the engineering issues associated with magsail technology examined in the study, the most critical was found to be that of deployment. (In contrast, power systems needed to put the current in the magsail within 24 hours, and weight shifting shroud systems used to control magsail orientation were found to be very modest, and well within the range of existing technology.)
The problem is this: One could use the superconducting current to create I X B forces in the cable, and the resulting hoop stress would deploy the loop into a circle within a time much shorter than that needed to insert the current (i.e. <<24 hours). So far, so good. But unless the magsail is operating in an environment where the ambient temperature allows it to be superconducting without shielding (i.e. either the magsail is in interstellar space, or if at 1 AU, room-temperature superconductors are available), the magsail will not be superconducting until after it is deployed and properly oriented. So in general, super conducting current will not be available to deploy the magsail.
However, the magsail cable is predominantly composed of silver, which is an excellent normal conductor. Depending on the coil geometry and the size of the power source available, this can carry a current that may be sufficient to deploy the cable. We can calculate a characteristic time for the deployment as follows.
Since elementary dynamics gives the distance traveled by an accelerating object as R=O.5At2, we have the characteristic time for deployment is;
T=(2R/A)°’ (11)
Where A, the characteristic acceleration is given by
A= IB2itR/M=aicI2/M (12)
Where I is the total current and M is the mass of the cable. For slow inflations, inductive resistance is negligible, so the current is given by;
2 = Pa/2itpR (13)
Where P is the power, a is the wire cross sectional area, and p is the resistivity.
Combining expressions (11), (12) and (13), we obtain;
T = 2R (Mp4iPa)°5 (14)
Using equation (9) we calculate that the Operational magsail, if equipped with a 10 kWe power supply, would be able to deploy itself in 1.95 X 106 s, or 22.57 days. The smaller
34

Развертывание Magsails в несверхпроводящей государства посредством магнитного поля
Из всех инженерно-технических вопросов, связанных с технологией magsail рассматриваются в исследовании, наиболее критическим оказалось, что их развертывания. (В противоположность этому, системы электроснабжения необходимо поставить в текущем magsail в течение 24 часов, а весь Shifting саван систем, используемых для контроля magsail ориентации оказались очень скромными, а также в пределах существующей технологии.)
Проблема заключается в следующем: можно было бы использовать сверхпроводящий ток для создания IXB силы в кабеле, и в результате Хооп упор будет развернуть цикл в рамках круга времени значительно короче, чем необходимо, чтобы вставить текущий (например, <<24 часов) . Пока все идет хорошо. Но если magsail работает в среде, где температура окружающего воздуха позволяет ему быть сверхпроводящими без экранирования (т.е. либо magsail в межзвездном пространстве, или, если на 1 а.е., комната сверхпроводников имеются), magsail не будет сверхпроводящих только после ее развертывания и правильно ориентированы. Таким образом, в общем, супер проведение текущего не будут доступны для развертывания magsail.
Тем не менее, magsail кабеля преимущественно состоит из серебра, которое является отличным нормальным проводником. В зависимости от катушки геометрия и размеры источника питания доступны, это может нести ток, который может быть недостаточно для развертывания кабеля. Мы можем вычислить время характерно для развертывания в следующем.
Поскольку элементарная динамика позволяет расстояние, ускорение объекта, как R = O.5At2, у нас есть время характерно для развертывания;
T = (2R /) ° '(11)
Где, характерное ускорение дается
IB2itR = / M = aicI2 / M (12)
Где я это общий текущий и М-масса кабеля. Для медленных инфляции, индуктивное сопротивление является незначительным, поэтому текущие дается;
2 = Pa/2itpR (13)
Где Р власти, a является проволока площадь поперечного сечения, и P является сопротивлением.
Объединение выражений (11), (12) и (13), мы получим;
Т = 2R (Mp4iPa) ° 5 (14)
С помощью уравнения (9), мы подсчитали, что оперативная magsail, если она оснащена 10 KWE питания, будут иметь возможность развернуть себя в 1,95 х 106 с, или 22,57 дней. Чем меньше
34

Demonstrator magsail, if equipped with a 100 W power supply, would be able to deploy itself in 30,100 s, or 8.36 hours.
This calculation ignores the slow down of deployment due to viscous resistance from the cable, and also the acceleration of deployment caused by the fact that initially the uncoiled cable has its segments very close together, thus amplifying the magnetic hoop force. These two considerations cancel each other to some extent. But conceding the approximate nature of the calculation, it can be seen that the use of the resistive metal substrate to carry a normal current is probably feasible for small magsails like the demonstrator, but will become impractical as the magsail increases with size.
If the magsail dimensions are such that normal current deployment become impractical, alternative methods of deployment, such as inflatable booms or spacecraft rotation will need to be employed.
How a magsail deployment system might pay out its cable is depicted in Fig. 11.
The practical limits of the use of normal current to deploy the magsail thus need to be defined more precisely. This can be done by measuring the mechanical properties of actual magsail cable, and then performing detailed finite-element dynamic simulations of the deployment process. Such an investigation is proposed as part of the Phase II program.
35

Демонстратор magsail, если оснащен источником питания 100 Вт, будут иметь возможность развернуть себя в 30100 с, или 8,36 часа.
Этот расчет не учитывает замедление развертывания за счет вязкого сопротивления кабелей, а также ускорением развертывания вызвано тем, что первоначально размотал кабель имеет свои сегменты очень близко друг к другу, тем самым усиливая магнитная сила обруча. Эти два соображения, компенсируют друг друга в некоторой степени. Но признав приближенный характер расчета, можно видеть, что использование резистивного металлической подложкой для осуществления нормальной текущей вероятно возможности для малого magsails как демонстранты, но станет нецелесообразным, поскольку magsail с увеличением размера.
Если magsail размеров таковы, что нормальный нынешней дислокации стала непрактичной, альтернативные методы развертывания, таких как надувные боновые заграждения или корабль вращения необходимо будет занято.
Каким magsail развертывание системы могут оплатить свои кабеля изображена на рис. 11.
Практические пределы использования обычных текущих развернуть magsail Таким образом, необходимо определить более точно. Это можно сделать путем измерения механических свойств реальных magsail кабеля, а затем исполняющим подробную конечно-элементного динамического моделирования процесса развертывания. Такое исследование, предлагается в качестве части программы второго этапа.
35

Fig 11: Magsail Deployment Diagrams

Рис 11: Magsail диаграммы развертывания

Солнечных батарей, мощность контроллера и барабанами, из magsail кабеля (IVILI и проволока)
I>

Tether
Magsail кабеля

Освобождаются ограничений, magsail кабелей и ремнях расслабиться

Центральный концентратор, xuth катушки
страховочного троса линия
Либо текущего вставлен или
magsail разгон начинается, в результате чего
петли, чтобы расширить

Осевые Конфигурация

Вид сбоку

Направление ветра
Окончательная конфигурация

Magsail полного развертывания. Magsail готова активизировать и летать

40 км (Typ CAL)

36

36

Shroud line and Magsail line spools:

Строп и Magsail катушки строки:

Each of the three shroud line spool will be attached near a rim mounted solar array. For the full sized magsails, each shroud line spool needs to contain 0.006361 m3 of shroud line and any additional (optional) power or control cable leading to the hub. Assumming no extra power or control cable is used, and assuming spool inner diameter, outer radius, and width are all the same, each shroud line spool would have a volume, V = 3 t R?. Each of the shroud line spools would measure 9.65 cm wide with an 9.65 cm inner radius and a 19.31 cm outer radius.
Similarily, each of the six full-sized magsail cable spools (magsail wire and IVILI)
would have an inner radius and width of 0.74 m, an outer radius of 1.47 m, and
volume 3.75 m3

Каждый из трех саван катушка линия будет приложен вблизи обода панель солнечных батарей. Для полноразмерного magsails, каждая строка саван катушка должна содержать 0.006361 м3 строп и любое дополнительное (опция) мощность или кабеля управления, ведущих к хабу. Используется Assumming никаких дополнительных полномочий или контрольного кабеля, и предполагая, внутренний диаметр катушки, внешний радиус, и ширина все же, каждый саван катушка линия будет иметь объем, V = 3 Т Р?. Каждая из плащаницы катушки линия будет оценивать 9,65 см с 9,65 см внутренний радиус и 19,31 см внешний радиус.
Кроме того, каждый из шести полноразмерных magsail катушки кабеля (magsail проволоки и IVILI)
будет иметь внутренний радиус и ширина 0,74 м, внешний радиус 1,47 м, а
объемом 3,75 м3

Катушка Magsail кабеля (провода и IvIIJ)

Для центрального узла EEEE
Tether

Солнечная батарея или РТГ с солнцезащитным экраном (нижняя сторона)

Ребер охлаждения

Fig 12: Magsail Connection Node: including power supply, power control, power injection, coil deployment spools, and tether attachment node.

Рис 12: Magsail узла подключения: в том числе энергоснабжения, управления питанием, власть инъекций, катушки катушка развертывания и страховочного троса узле вложений.

37

37

Magsail Designs
Introduction:
Both a 200 m radius — Demonstrator and a 20 km radius - near-term “Operational” magsail were designed. Their central Magnetic Fields, Bm are respectively 32.5 and 5.01 x i0 T. Since both of these are much greater than the 5.18 x 108 T needed to block the solar wind, they should avoid solar wind “punch through” in all but extreme circumstances. The required superconductor Engineering Critical Current Density, Je for the demo is already attainable in 10 cm lengths of commercial BSCCO wire, and in 1 m lengths of YBCO thick film coated conductors. The Operational magsail Je is not yet available, but corresponds to a very near-term (2005) extrapolation of the technology.
The acceleration of the magsail coil, not taking into account other masses has been calculated as:
D/M= 0.59 (1p2V4Rm/I)’ 3(J/pm)
When this is divided by the weight ratio (total mass of the loaded spacecraft divided by the coil mass) it yields the net acceleration. Also of interest is the Payload Ratio which is the Payload mass divided by the unloaded magsail spacecraft mass.
The characteristics of each of these designs is given in Tables 7,8, and 9..
Temperature and Je:
The baseline magsail designs are optimized to operate in heliocentric space between
Earth and Mars at a maximum temperature. However, when the magsails are farther than
1 AU from the Sun, temperatures will drop, allowing payloads to be moved more rapidly,
as long as the coils are charged/discharged an additional amount at the appropriate times.
This is analyzed later in more detail under orbit pumping and maximizing current.
In each design, the magsail coil has a small wire with a square cross-section, shaded by a thick wedged shaped MU blanket.
The coils will maintain their operational temperature even after the Ag-Teflon coatings have aged, provided the magsails remain aligned to the Sun within 10 degrees of arc.
Assuming a negligible thermal gradient across the wire, the magsail coil temperature will stay cool through radiative means.
The engineering critical current density for state-of-the-art BSCCO wire used in the demonstrator is estimated as 5.82 x 108 A/m2 at 63.9K, approximately 2.0 times its value at 77 K value. It is assumed that the more advanced superconducting wires (YBCO, etc.) will have a higher overall Je, but exhibit a similar trend in Je vs. T as in Fig 13.
38

Magsail образцов
Введение:
Оба 200 м Радиус -- Демонстратор и a Радиусе 20 км -- Были разработаны ближайшую "оперативных" magsail. Их центральный магнитных полей, Вт соответственно 32,5 и 5,01 х i0 T. Так как оба этих гораздо больше, чем 5,18 х 108 т необходимых для блокирования солнечного ветра, они должны избегать солнечного ветра "пробить" во всем, кроме крайних обстоятельств. Сверхпроводник необходимых инженерных Критическая плотность тока, Je для демонстрации уже достижимых в 10 см длине проволоки BSCCO коммерческих, а в 1 м длин YBCO пленки толщиной покрытых проводников. Magsail Оперативная Je пока не доступен, но не соответствует очень ближайшем (2005) экстраполяция технологии.
Ускорение magsail катушку, не принимая во внимание другие массы была рассчитана как:
Д / М = 0,59 (1p2V4Rm / I) '3 (J / PM)
При этом делится на соотношении веса (общая масса загруженного корабль разделен на катушке массы) оно дает чистый ускорение. Также представляет интерес Деструктивная числа, которое Масса полезной нагрузки, деленное на массу порожнего корабль magsail.
Характеристики каждой из этих конструкций приведены в таблицах 7,8 и 9 ..
Температура и JE:
Дизайнов базовых magsail оптимизированы, чтобы действовать в пространстве между гелиоцентрической
Земля и Марс на максимальную температуру. Однако, когда magsails находятся дальше, чем
1 а.е. от Солнца, температура не упадет, позволяющий полезной нагрузки будет переехали более быстрыми темпами,
пока взимается катушек / разряжен дополнительную сумму в соответствующие моменты времени.
Это проанализированы позднее более подробно в орбиту насосных и максимального тока.
В каждой конструкции, magsail катушки проволоки малого с квадратным поперечным сечением, в тени заклинило форме толстых MU одеялом.
Катушки будет поддерживать их рабочих температур даже после того, Ag-тефлоновым покрытием имеют возрасте, при условии, magsails оставаться на одной линии с Солнцем в течение 10 градусов дуги.
Предполагая незначительную тепловой градиент через проволоку, magsail температура катушки останется прохладной через радиационные средства.
Инженерные критической плотности тока государство-Of-The-Art BSCCO проводов, используемых в демонстратор оценивается в 5,82 х 108 А/м2 на 63.9K, приблизительно в 2,0 раза превышает его стоимость на 77 K значение. Предполагается, что более развитые сверхпроводящих проводов (YBCO и т.д.) будут иметь более высокий общий Je, но имеют аналогичную тенденцию в Je T против, как на рис 13.
38

Engineering Current Density vs. Temperature
For BSCCO (Scaled Relative to Je at 77 K)

Инженерные плотности тока от температуры
Для BSCCO (в пересчете Относительно Je при 77 К)

Fig 13: Estimated Je vs T for BSCCO wire:

Рис 13: сметные Je VS T для проволоки BSCCO:

Given e at 64 K and 77 K, nearby data points were derived by using data on 1(T) vs I at 65K 24 Further data points were extrapolated by using the linear behavior of e vs T below 65 K For example. the e at 60 2 K as calculated as 5 23 x 108 A/rn2, 2 27 times its value at 77 K (This is in line with other derived values, though near the upper limits of e given by Larbalesteier, ho gives the e at 4 2 K as 5 to 7 times its e at 77 K 18
Wire density:
The BSCCO wire in the demonstrator has a density of about 9 X 1 kg/m3, which is mostly silver. As wires improve, metal content will drop and densities will move closer towards 5.00 X i03 kg/m3, the density of pure copper oxide. It is assumed here that wire density will fall to about 8.00 X i03 kg/m3 in 5-10 years. Because metal in the wire is important for thermal and electrical conductivity, as well being a substrate, 7.00 X 1 0 kg/m3 has been chosen as a good guess for the ultimate wire density, rather than lower value of 5.00 X 10 kg/m.

Учитывая E были получены при 64 К и 77 К, ряд точек данных автор используя данные по 1 (Т) В.С. на 65K 24 Были экстраполированы далее указывает данные автор помощью линейного поведения E С. Т ниже 65 К Для примера. E при 60 K 2, рассчитанные как 5 23 х 108 A/rn2, 2 в 27 раз его стоимость на 77 К (Это согласуется с другими полученных значений, хотя у верхней границы E Предоставлено Larbalesteier, Хо дает E на 4 2 K как 5 в 7 раз по сравнению с E при 77 К 18
Проволока плотности:
Проволока BSCCO в демонстратор имеет плотность примерно 9 Х 1 кг/м3, который быть основном серебро. Как улучшить проводов, содержание металла упадет и плотности будет двигаться в направлении более тесного 5,00 X I03 кг/м3, плотность чистого оксида меди. Это быть Здесь предполагается, что плотность проводов упадет до примерно 8,00 X I03 кг/м3 в 5-10 лет. Потому что металл в проводе быть важно для производства тепловой и электрической проводимостью, а также являясь подложкой, 7,00 Х 1 0 кг/м3 был выбран в качестве хорошей догадаться конечной плотности проволоки, а не меньшее значение 5,00 х 10 кг / м.

3.00
2.80
2.60
2.40

3,00
2,80
2,60
2,40

•4% •‘
%
%
- -S
%
%
•4% •
- 4%
4%
— %-
- I I I I

• 4% • '
%
%
-- -S
%
%
• 4% •
- 4%
4%
-- % --
- I I I I

x given
• derived
• Extrapolated
— . . —. Lower Lirrit Upper Lirrit

X данный
• полученных
• экстраполяция
-. . -. Нижняя Lirrit Верхнем Lirrit

39

39

Magsail Demonstrator Designs:
Magsail Demonstrator:
A small demonstrator magsail optimized for a radius of 200 m and a total mass of 100 kg could reach an apoapsis of at least 1.0267 AU, without pumping or other optimization techniques Early in its life, before its Ag-Teflon coatings aged, it would perform better. It would have a 25.7 kg, wire mass, a 10 kg payload, and a 40 kg hub spacecraft with supporting equipment. If its 10 W of power can be efficiently channeled into its coils, it could charge up it coil in less than a minute.
Such a technical demonstrator would be able to develop magsail technology and operational procedures, as well as conduct a large number of science observations on the Sun, Earth, Moon, and multiple Near Earth Objects. There are hundreds of NEO’s that cross Earth’s orbit, many at a closer distance.48
Magsail Demonstrator data is presented in Table 7)

Magsail демонстратор Проекты:
Magsail демонстратор:
Небольшое magsail демонстратор оптимизирован для радиусом 200 м и общей массой 100 кг может достичь апогея, по крайней мере 1,0267 АС, без откачки или другие методы оптимизации в начале своей жизни, перед своей Ag-тефлоновым покрытием в возрасте, он будет выполнять лучше. Было бы 25,7 кг, проволока масса 10 кг полезной нагрузки, а 40 кг корабль концентратор с поддержкой оборудования. Если ее 10 Вт электроэнергии может быть эффективным в своих катушек, он может заряжать его в катушку менее чем за минуту.
Такие технические демонстратор сможет разработать magsail технологии и эксплуатационных процедур, а также проведение большого числа научных наблюдений Солнца, Земли, Луны, а также несколько объектов, сближающихся с Землей. Существуют сотни Нео, которые пересекают орбиту Земли, на много ближе distance.48
Magsail демонстратор данные представлены в таблице 7)

Стол 7 Magsail демонстратор данных:
Катушка характеристики:
Проволока:
Катушка Температура: 63,9 К (макс.)
3 3
Проволока плотность: 9,00 х 10 кг / м
Плотность тока, JE: 4,56 х 108 A/rn2
Текущие за накаливания: 4,60 (225 нити 0,1 мм х 0,1 мм)
3
Всего Ток: 1,03 х 10
Самоиндукции: 20.00 ч.
Магнитное поле, Б. М.: 3,25 х 106 т
Катушка стресс: 0,17 МПа
Силы / Рост: 3,36 х I03 Н / р-н (полностью надут)
Радиально расши. Accel * 2,41 х i0 rn/s2 (полностью надут)
Ширина: 1,51 мм
Толщина: 1,51 мм
Радиус, RM: 2,00 х 102 р-н
Массовые катушки проволоки: 25,70 кг
ML!:
Ср. допустимого наклона: 0 -- 10 градусов
IVILI ширина: 2,04 мм (мм)
IVILI ширина: 6,62 мм (макс.)
IVILI толщина: 13,0 мм
IVILI плотность: 154 kg/rn3
IVILIMass: 9.0кг
Покрытия:
Ag-тефлон emiss.: 0,790
Ag-тефлон научн: 0,241 (End-Of-Life)
Белая эпоксидная erniss.: 0,924
Теплозащитное покрытие Масса: 0. 1 кг (предполагается, плотность 1O X 9 кг м3 . 1 микрона)

41

41

Окружающая среда:
Солнечный ветер плотность: 8,35 X 10 kg/rn3! АС 2 - на 1AU
Солнечная скорость ветра: 5,00 х i0 'р-н / с
Мощность *:
Катушка энергии: 210,9 J
Elec. Мощность: 7,73 Вт
Напряжение: 1,68 V
Удельная мощность: 50 Вт / кг (солнечные батареи)
Солнечных батарей радиус: 0,114 р-н (14% эффективности)
Панели солнечных батарей Масса: 0,115 кг
Charge tirne: 91.1 секунды
Power rnargin: 1,68 (для rninirnurn напряжение 1,0 В)
* Начало жизни на 1 а.е.
Assurnes незначительна ползучесть потока в сверхпроводник
Разное.
TetherMass: 0,175 кг
Космический корабль systerns: 40 кг (КК структуры, equiprnent, и центральным узлом)
Маржа: множитель 1,2
Система Масса:
Катушка проволоки: 25,70 кг
IVILI: 9,0 кг
Therrnal Покрытия: 0,1 кг
Солнечных батарей: 0,115 кг
Тросы: 0,175 кг
Космический корабль Systerns: 40,0 кг
Маржа: 15,0 кг
Полезная нагрузка: 10,0 кг
Всего Выгружен Масса: 90,0 кг
Полезная нагрузка: 10,0 кг
Всего Systern: 100,0 кг
Производительность:
Magsail Масса: 90,0 кг (без полезной нагрузки)
Полезная нагрузка: 10,0 кг
Вес Ratio: 3.90 (Всего systern rnass / катушка rnass)
Деструктивная Ratio: 0. 111 (грузовой rnass / выгрузке rnagsail rnass)
Самоускорением: 0.000305 rn/s2
Апогей: 1,0267 (при постоянном Альфа)
42

Optimized Operational Magsail Design:
By varying the parameters of Rm, IVILI width, and IVILI thickness, a solar powered magsail design was optimized for use between Earth orbit and Mars orbit. The magsail’s performance is optimized using the highest temperature that it will encounter, at 1 AU, though its actual performance can be increased as its temperature drops, farther from the Sun.
The magsail has a mass of 1.084 x i04 kg and can carry 1.096 x i04 kg to 1.5237 AU (Mars orbit). The payload ratio (payload mass! empty magsail mass) is 1.011.
This magsail has a square wire 2.65 mm thick comprised of 529 filaments each 0.1 x 0. 1 mm wide. The wedge shaped IVILI blanket has a minimum width of 3.58 mm, a maximum width of 9.93 mm, and a thickness of 18.0 mm. The magsail loop has an radius, 20 km and generates a magnetic field, B1,of 5.01 x i0 T in its center.
A radius of 20 km was chosen as a practical value of Rm. At lower values of Rm, the payload-to-magsail mass ratio drops as effects from a decreasing loop area grow faster than the effects from the increasing magnetic field strength. At lower values of IVILI thickness, the payload ratio drops as the effects of increasing temperature rise faster than mass reduction effects. At higher values of MU thickness, the payload ratio drops as the effects of increasing mass effects overtakes the gains made from a lower temperature. IVIUI width is scaled with wire size to maintain pointing margin. Thicker wire results in slight decreases in payload ratios and thinner wire decreases Bm.
The design data for this operational magsail is presented in Table 8.
43

Оптимизированный Оперативная Magsail Дизайн:
Изменяя параметры Rm, IVILI ширина и IVILI Толщина от солнечных батарей magsail дизайн, оптимизированный для использования в отношениях между околоземной орбиты и орбиту Марса. Производительность magsail оптимизирована помощью высоких температур, что это будет встреча, на 1 а.е., хотя его фактическая производительность может быть увеличена как ее перепады температур, подальше от ВС
Magsail имеет массу 1,084 кг х I04 и может выполнять 1,096 х I04 кг до 1,5237 AU (орбиту Марса). Деструктивная соотношения (масса полезной нагрузки! Пустые magsail массе) 1,011.
Это magsail имеет квадратную проволока 2,65 мм состоит из 529 нитей каждая 0,1 х 0. 1 мм в ширину. Клиновидный IVILI одеяло имеет ширину не менее 3,58 мм, максимальная ширина 9,93 мм, толщина 18,0 мм. Magsail цикл имеет радиус 20 км и генерирует магнитное поле, В1, 5,01 х i0 T в ее центре.
Радиусе 20 км была выбрана в качестве практического значения Rm. При более низких значениях Rm, Грузоподъемность до magsail массовой капель смеси и эффект от снижения цикле области растут быстрее, чем последствия от увеличения магнитного поля. При более низких значениях IVILI Толщина, полезная нагрузка капли соотношении, как последствия повышения температуры растет быстрее, чем массовые сокращения последствий. На более высоких значениях MU Толщина, полезная нагрузка капель смеси и последствия усиления эффекта массовых обгоняет выгоды из более низкой температуре. IVIUI Ширина масштабируется с проволокой размера для поддержания указывая разницы. Проволока потолще приводит к небольшим снижением соотношение полезной нагрузки и тоньше, уменьшается проволоки Вт.
Проектные данные для этого оперативного magsail представлены в таблице 8.
43

С. таблице Magsail Оперативные данные:
Катушка характеристики:
Проволока:
Катушка Температура: 60,2 К (макс.)
3 3
Проволока плотность: 8,00 х 10 кг / м
Плотность тока, JE: 2,27 X 1 0 AIM2
Текущие за накаливания: 30,17 (529 нить 0,1 мм х 0,1 мм)
Всего Ток: 1,60 х 1 0
Самоиндукции: 1,105 х 1 0 H
Магнитное поле, Б. М.: 5,01 х i0 T
Катушка стресс: 1,51 МПа
Силы / Рост: 8,00 х i0 Н / м (полностью надут)
Радиально расши. Accel: 9,27 х 102 mis2 (полностью надут)
Ширина: 2,65 мм
Толщина: 2,65 мм
Радиус, RM: 2,00 xlO4m
3
Массовые катушки проволоки: 7,06 х 10 кг
ML!:
Ср. допустимого наклона: 0 -- 10 градусов
IVILI ширина: 3,58 мм (мм)
IVILI ширина: 9,93 мм (макс.)
IVILI толщина: 18,0 мм
IVILI плотность: 154 кг/м3
IVILI Масса: 1,893 кг х I03
Покрытия:
Ag-тефлон emiss.: 0,790
Ag-тефлон научн: 0,241 (End-Of-Life)
Белая эпоксидная emiss.: 0,924
Теплозащитное покрытие Масса: 9,2 кг (предполагается, плотность 1O X 9 кг rn3 1 микрона)

44

44

Окружающая среда:
Солнечный ветер плотность: 8,35 х 1021 kg/rn3 / АС 2 - на 1AU
Солнечная скорость ветра: 5,00 х р-н 10 '/ S
Мощность *:
Катушка энергетики: 5,027 х 106
Elec. Мощность: 622,8 Вт
Напряжение: 15.82 V
Удельная мощность: 50 Вт / кг (солнечные батареи)
Солнечных батарей радиус: 1,02 р-н (14% эффективности)
Панели солнечных батарей Масса: 12,46 кг
Charge tirne: 24 час. (при 3,86 В, 151.9W)
Power rnargin: 4.1
(* Начала жизни на 1 АС)
Разное.
Tether Масса: 12,72 кг
Космический корабль systerns: 50 кг (КК структуры, equiprnent, и центральным узлом)
Маржа: множитель 1,2
Система Масса:
Катушка проволоки: 7,060 кг х I03
IVILI: 1,893 кг х I03
Therrnal Покрытия: 9,20 кг
Солнечных батарей: 1,246 х 101 кг
Тросы: 1,27 х 101 кг
Космический корабль Systerns: 5,00 х 101 кг
Маржа: 1,807 кг х 10
Всего Выгружен Масса: 1,084 кг х I04
Полезная нагрузка: 1,096 кг х I04
Всего Systern: 2.180x I04 кг
Производительность:
Magsail Масса: 1,084 кг х I04 (без полезной нагрузки)
Полезная нагрузка: 1,096 кг х 1O (Марс)
Вес Ratio: 3.09 (Марс) -- Totul Система Массовые Всего катушка массы)
Деструктивная Ratio: 1,0 11 (Марс) -- ccargo rnass / выгрузке rnagsail rnass)
Самоускорением: 3,185 х 1 0 р-н / с
Апогей: 1,5237 АС (при постоянном Альфа)