Способ создания электростатической защиты от метеоритов и заряженных частиц космической радиации

Изобретение относится к области защиты от ионизирующих излучений и может быть использовано также для защиты от некоторых видов метеоритов при космических полетах. Способ предусматривает создание электростатического поля высокой напряжённости в цилиндрическом коаксиальном конденсаторе (КК). Внешняя обкладка КК представляет собой сложенную металлизированную пленку. Ёмкость заряженного (напр., до 600 кВ) КК уменьшают путем его раскрутки вокруг оси цилиндра. Вследствие раскрутки пленка распрямляется под действием центробежных сил, образуя внешнюю цилиндрическую обкладку КК с радиусом, намного большим, чем у внутренней обкладки. При резком падении емкости КК и при условии сохранения его заряда напряжение и энергия резко растут, так что разность потенциалов между обкладками КК может достигать, напр., 2 ГВ (чего достаточно для отражения заряженных частиц с энергией ~ 2 ГэВ). В поле КК могут подвергаться разрушению вследствие электрического пробоя небольшие метеориты. Технический результат изобретения заключается в уменьшении массы электростатической защиты при обеспечении центробежной компенсации притяжения между обкладками КК. 2 ил.

 

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения при космических полетах вне действия защиты магнитного поля Земли. Главную опасность здесь для здоровья человека и работы электронных приборов представляют собой протоны и положительно заряженные ядра элементов галактического излучения высокой энергии - около 2 ГэВ (Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников». В мире науки, февраль 2007 г, с. 21).

Радиационная зашита с помощью поглощающего материала, например 5-метрового слоя воды, даже для маленькой капсулы порядка 15 м³ весит более 600 тонн (см. там же). Простые расчеты показывают, что для капсулы объемом 200 м³ масса водяного экрана составит 2420 тон.

Радиационная защита с помощью магнитного поля является также достаточно тяжелой. Тороидальный соленоид с магнитным полем от Hoffman et al., NASA / NIAC 2005 защищает объем 200 м³ и весит как минимум 400 тонн (Burger W.J. Active Magnetic Shielding for Long Duration Manned Space Missions.// 6-th IAASS Conference Session 33 Safety Design), что неподъемно для современных ракетоносителей. Основной вес магнитной защиты составляет вес сверхпроводящих проводов. Этого недостатка лишена электростатическая защита, состоящая из коаксиальных поверхностей, где слой заряженной металлической пленки может быть очень маленьким (Ребеко А.Г. СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ. Патент RU (11) 2008130936(13) А). Правда, не вполне ясен способ зарядки предлагаемого сферического конденсатора до напряжения более 2 ГэВ, и способ компенсации сил притяжения между обкладками. Разность потенциалов 2 ГэВ необходима для отражения протонов галактической радиации с энергией 2 ГэВ и менее. Существуют «кильватерные» лазерно-плазменные ускорители, способные ускорять одиночные пучки электронов зарядом 10^-7 Кл до энергии 1 ГэВ и выше (см. Чандрашекар Джоши. «Плазменные ускорители», В мире науки, май 2006), но это, конечно, очень мало для зарядки конденсаторов с поверхностью обкладок десятки и сотни квадратных метров.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании такого способа зарядки электростатической защиты, при котором одновременно удалось бы компенсировать притяжение между его обкладками.

Решение поставленной задачи достигается тем, что для электростатической защиты предлагается форма коаксиального конденсатора, в котором защитное электрическое поле создается между внутренним и внешним цилиндром. Его внутренняя цилиндрическая обкладка 1 покрыта слоем изолятора 2 с высокой электрической прочностью (Рис. 1). До зарядки конденсатора на поверхности изолятора 2 располагаются металлические сегменты 3 внешней обкладки конденсатора. Они прикреплены к прочной полимерной пленке (например, из фторопласта или кристаллического полиэтилена) 4, которая металлизирована снаружи. Металлические сегменты соединены с внутренним цилиндром кварцевыми тросами 6 (Рис. 2), которые могут стравливаться при удалении сегментов от внутренней обкладки до определенной длины. Вначале, до процесса зарядки, они образуют внешнюю обкладку цилиндрического коаксиального конденсатора. Сегменты покрыты изолятором, плавленым кварцем, и соединены между собой электрически через тонкие провода 5, заключенные в оболочку из изолятора. Таким образом, они покрыты слоем диэлектрика. Сегменты изолированы от металлизированного слоя диэлектриком и самой пленкой 4. Сама пленка армирована прочными кевларовыми нитями и до зарядки конденсатора находится в сложенном состоянии.

Процесс зарядки конденсатора энергией состоит из двух частей. Сначала между внутренней и внешней обкладками создается разность потенциалов U₁, которую способен выдержать изолятор 2. В первом приближении находятся параметры квазиплоского заряженного конденсатора: C₁ - его емкость, Q - его заряд, ε₁ - его энергия:

где R₁ - радиус внутренней обкладки, L - длина цилиндрического конденсатора, d - толщина изолятора 2 между внутренней обкладкой и заряженными сегментами, ε₀ - диэлектрическая постоянная.

Заряженные сегменты притягиваются к внутренней цилиндрической обкладке с силой F из-за притяжения зарядов:

F=QE

где Q - заряд конденсатора, Е - напряженность электрического поля между обкладками.

Затем внутренняя обкладка-цилиндр приводится во вращение до тех пор, пока центробежная сила не оторвет заряженные сегменты от внутреннего цилиндра. Это выполняется при условии:

где М - масса пленки с сегментами, V₁ - линейная скорость вращения обкладок конденсатора, R₁ - радиус внутренней обкладки, Е - напряженность электрического поля, которая определяется как

После этого заряженные сегменты вместе с пленкой продолжают удаляться от внутренней обкладки до тех пор, пока вся система не придет в равновесие. При этом скорость внешней обкладки V₂ уменьшается до тех пор, пока центробежная сила не будет уравновешиваться электростатическим притяжением:

При этом радиус внешней цилиндрической обкладки возрастет до R₂. Заряд сегментов при распрямлении металлизированной пленки распределится по всей ее поверхности. Он фиксирован и постоянен, а вот емкость цилиндрического конденсатора

уменьшается с увеличением R₂. Понятно, что его напряжение и энергия будут расти:

В этом процессе кинетическая энергия вращающейся пленки с сегментами будет переходить в потенциальную конденсатора, который таким образом приобретает энергию. При необходимости, энергию конденсатора можно увеличить, если увеличить скорость вращения внешней оболочки, что можно обеспечить, передавая момент импульса вращения от внутренней оболочки к внешней через кварцевые тросы, пока они не натянутся до некоего предела, или, раскручивая внешнюю оболочку внешним реактивным двигателем. Вся оболочка из пленки 4 при распрямлении представляет из себя замкнутый герметичный кокон. Это необходимо для того, чтобы межпланетная плазма не проникала между обкладками заряженного конденсатора, что привело бы к его разрядке. Защищаемое пространство может находиться как внутри внутренней цилиндрической обкладки, так и между защитными элементами, которые представляют из себя заряженные коаксиальные конденсаторы.

Рассмотрим на конкретном примере, как происходит зарядка коаксиального конденсатора. Между сегментами и внутренним цилиндром создается разность потенциалов, которую способен выдержать изолятор. Напряженность электрического поля пробоя для плавленого кварца составляет 600 кВ/мм. Если толщина изолятора d=1 мм, то такой квазиплоский конденсатор можно зарядить до 600 кВ. Примем, что внутренний радиус конденсатора R₁=1,5 м, длина цилиндрического конденсатора L=31 м, расстояние между обкладками до раскрутки 1 мм, разность потенциалов между обкладками 600 кВ. Тогда, после первой стадии зарядки параметры системы составят:

емкость C₁=2,6⋅10^-6 Ф;

напряжение конденсатора U1=600 кВ;

энергия электрического поля ε1=470 кДж;

капсулированный заряд Q=1,55 Кл;

сила притяжения оболочек F=9,3⋅10⁸ Н;

радиус внутренней оболочки R₁=1,5 м;

радиус внешней оболочки R₂=1,501 м (примерно);

скорость внешней оболочки V₁=1200 м/с.

Примем приемлемой массу внешней оболочки металлизированной пленки с металлическими сегментами 1000 кг, толщину пленки из фторопласта примерно 1-2 мм. Тогда из простых расчетов находим, что для отрыва внешней оболочки от внутренней нужна скорость 1200 м/с.

После полной раскрутки устройства, полного распрямления кокона параметры системы составят:

емкость С=7,5⋅10^-10 Ф;

напряжение конденсатора U₂=2 ГВ;

энергия электрического поля ε=2,3 ГДж;

капсулированный заряд Q=1,55 Кл;

сила притяжения оболочек F=9,3⋅10⁷ Н;

радиус внешней оболочки R₂=15 м;

скорость внешней оболочки V₂=380 м/с.

Разность потенциалов между обкладками конденсатора здесь достаточна, чтобы отразить околосветовые протоны с энергией 2 Гэв.

Гипотетически, вторую стадию зарядки конденсатора можно также реализовать, если на обкладках поместить сверхпроводящие соленоиды, которые будут отталкиваться друг от друга. Но здесь не вполне ясна техническая сторона дела, как сконструировать соленоид внешней оболочки с переменным сечением, где будет меняться его радиус.

Интересно, что заряженный таким образом цилиндрический коаксиальный конденсатор будет эффективно отклонять заряженные «околосветовые» частицы, которые летят не только поперек, но и вдоль его оси! При этом появляется возможность отклонять частицы с энергиями, намного большими чем 2 ГэВ.

Другая особенность рассматриваемого устройства заключается в том, что при проникновении между обкладками заряженного конденсатора метеоритных частиц, которые обычно состоят из каменных пород с включениями из углерода и металла (железо, никель, и др), в электрическом поле высокой напряженности они моментально подвергнутся электрическому пробою, поглощая энергию электрического поля. И материал метеоритов будет диспергироваться до тех пор, пока не превратится в пар. Дополнительно очень большая энергия для разрушения может быть извлечена путем стекания электронов на метеорит с поврежденной металлизированной пленки в виде хвоста разряда, «молнии», которая будет следовать за ним. Это открывает возможность использования электростатических экранов также в качестве противометеоритной защиты. Этот универсальный набор свойств также выгодно отличает предлагаемую электростатическую защиту от известных в литературе противометеоритных экранов (Малкин А.И. Новая концепция защиты космических аппаратов от микрометеороидов и орбитального мусора // Доклады Академии наук. - 2011. - Т. 436, N 4, февраль. - с. 470-47).

Способ создания электростатической защиты от метеоритов и заряженных частиц космической радиации, включающий зарядку цилиндрического коаксиального конденсатора до максимально допустимой, по пробою, разности потенциалов между его внутренней и внешней обкладками, причем внешняя обкладка выполнена в виде сложенной металлизированной пленки, приведение конденсатора во вращение вокруг его продольной оси для увеличения при распрямлении пленки под действием центробежных сил, радиуса внешней цилиндрической обкладки конденсатора и увеличения тем самым электростатической энергии и напряжения конденсатора при постоянстве его заряда.