Спосіб створення рушійної сили

Изобретение относится к области создания движущей силы в безопорном пространстве и может быть использовано при создании двигательных систем для космических кораблей. Известен способ создания движущей силы (авт. св. СССР №1801245, кл. H02K41/00, опубл. в Бюл. №9, 1993), основанный на взаимодействии электрического тока, индуцируемого во вращающемся контуре, с внешним магнитным полем. В соответствии с этим способом в процессе вращения контура его токоиндуцирующие элементы перемещают с различными тангенциальными скоростями, причем при переходах контура в противофазу индуцирование тока в нем прекращают. Недостатком этого способа является необходимость во внешнем магнитном поле и в движении токоиндуцирующих элементов. Известен также способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя (авт. св. СССР №611430, кл. H02K41/00, опубл. Бюл. №9, 1981), который основан на взаимодействии двух индукторов постоянного тока, один из которых движется относительно другого. Недостатком этого способа является невозможность использования его в безопорном пространстве, поскольку вся система из двух индукторов в целом остается неподвижной. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбранным в качестве прототипа является способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя по авт. св. СССР №595835, кл. H02K41 /04, опубл. в Бюл. №8, 1978) и предусматривающий взаимодействие двух индукторов переменного тока, (подвижного и неподвижного), токи в обмотках которых сдвинуты по фазе. К существенным недостаткам прототипа можно отнести невозможность приведения в движение системы индукторов как единого целого при отсутствии опоры. Указанный недостаток прототипа обусловлен тем, что в каждый момент времени сила, воздействующая на подвижный индуктор равна по величине и противоположна по направлению сила, воздействующей на неподвижный индуктор, т.е. система "подвижный индуктор - неподвижный индуктор" в целом в безопорном пространстве остается неподвижной. В основу изобретения поставлена задача разработки такого способа создания движущей силы, который бы обеспечивал перемещение объектов в безопорном пространстве. Для решения поставленной задачи в способе создания движущей силы, включающем взаимодействие переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора, и создаваемых при этом магнитных полей, индукторы, согласно изобретению, располагают между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциалов U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности Eпр этой среды из соотношений U : Eпр : < L £ V :4N, а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23 - 0,27 периода тока. Расположение индукторов на фиксированном расстоянии L между собой, определяемом в зависимости от частоты тока N, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, электрической прочности Eпр этой среды и максимальной разности потенциалов U между индукторами, а также установление определенного сдвига по фазе, обеспечивает создание движущей силы, воздействующей на систему из двух индукторов и обеспечивающей их перемещение в безопорном пространстве как целого. На фиг.1 изображена система из двух соосно расположенных индукторов для осуществления способа; на фиг.2 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки импульсного тока постоянного направления; на фиг.3 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки переменного тока. Способ осуществляют следующим образом. Пропускание тока через два соосно расположенных индуктора 1 и 2, жестко закрепленных на платформе 3 и находящихся на расстоянии L друг от др уга (фиг.1), вызывает силы взаимодействия между током одного из индукторов и магнитным полем другого индуктора. Индукторы, в зависимости от направления токов, будут притягиваться друг к др угу или отталкиваться. При пропускании через индуктор 1 импульсного тока I1 (фиг.2) воздействие поля, создаваемого индуктором 1, на индуктор 2 произойдет через время tL = L : V после начала пропускания тока, где V скорость распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы. Если в этот момент tL начать пропускать ток I2 того же направления через индуктор 2, то поле индуктора 1 начнет воздействовать на индуктор 2 с силой F1 - 2 , притягивая его к индуктору 1, причем в этот момент, как и в течение последующего промежутка времени, равного 2tL, поле индуктора 2 еще не будет оказывать воздействий на индуктор 1, и, поскольку индукторы жестко связаны, вся система как целое придет в движение в направлении от индуктора 2 к индуктору 1. Периодическое повторение этого процесса с частотой N, равной или меньшей 1 : 4tL (фиг.2), что необходимо для предотвращения воздействия поля индуктора 2 на индуктор 1, обеспечит прямолинейное поступательное движение всей системы. Если длительность импульса тока будет больше чем 2tL на величину Dt, то поле индуктора 2 начнет воздействовать на индуктор 1 с силой F2 - 1, и эффективность процесса уменьшится в (2tL + Dt) : 2t L раз. Если в момент 2tL начать пропускать через индуктор 1 ток обратного направления (фиг.3), то с момента 2tL и в течение последующего промежутка времени, равного 2tL, и поле индуктора 2 уже будет оказывать воздействие на индуктор 1, отталкивая его, то есть сила F2 - 1, воздействующая на индуктор 1, будет иметь то не направление, что и сила F1 - 2, действующая на индуктор 2. В этом случае, в установившемся режиме, сила, воздействующая на систему в целом, будет в 2 раза больше силы, воздействующей на один индуктор. Силы, воздействующие на каждый из двух индукторов, расположенных на расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты N токов, пропускаемых через индукторы со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода тока, и скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, из соотношения L = V : 4N, в каждый момент времени имеют одно и то же направление, что и определяет возникновение движущей силы. Увеличение величины L по сравнению с величиной V : 4N приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае приводит к уменьшению эффективности способа. Кроме того, при использовании индукторов, величина индукции которых снижается с увеличением L, уменьшается и абсолютная величина сил, воздействующи х на индукторы, что и определяет нецелесообразность повышения расстояния между индукторами. Уменьшение величины L по сравнению с величиной V : 4N также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае могло бы привести к уменьшению эффективности способа, однако, при использовании индукторов, величина индукции которых повышается пропорционально величине 1 : L или быстрее, например пропорционально величине 1 : L2, увеличивается и сила, воздействующая на индукторы, что в целом приводит к повышению результирующей движущей силы. Однако, поскольку токи, пропускаемые через индукторы, сдвинуты по фазе, то уменьшение расстояния между индукторами до величины, равной или меньшей U : Eпр, вызовет электрический пробой, что и определяет невозможность осуществления способа при малых значениях L. Уменьшение или увеличение величины сдвига токов по фазе (по сравнению с оптимальным значением, равным 0,25 периода тока) также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, и соответственно снижается эффективность способа. Поддержание величины сдвига по фазе в пределах уже чем 0,23 - 0,27 периода тока вызывает значительные трудности, тогда как в эти х пределах эффективность способа падает не более чем на 1%. Расчет влияния расстояния L, сдвига по фазе t2 и круговой частоты тока w = 2pN на эффективность способа показал (см. ниже пример 1 осуществления способа), что для синусоидального тока сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величине sint1 × sint2, где t1 = 2p LN : V и t2 - сдвиг по фазе. Расчет также показал, что в случае отклонения фактической частоты w' от расчетной w0 = p V : 2L, сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величине cos(pDw : 2w0), где Dw = w' - w0. Количество индукторов может быть и больше двух, требуется только, чтобы расстояние между каждой парой соседних индукторов было равно L, а сдвиг токов соседних индукторов по фазе составлял 0,23 - 0,27 периода. Применение в качестве среды, разделяющей индукторы, материала со скоростью распространения магнитного поля V < C (где C - скорость света в вакууме); способствуе т снижению требуемой частоты пропорционально величине C : V. Аналогичное взаимодействие будет наблюдаться между любыми индукторами, расстояние между которыми не изменяется. В качестве индукторов могут быть использованы соосно расположенные соленоиды (с сердечниками, в том числе и на общем сердечнике, или без сердечников), прямолинейные параллельные проводники или параллельные пучки заряженных частиц (с отклоняющей системой), при условии, что расстояние между индукторами, частота тока и сдвиг по фазе будут связаны вышеприведенными соотношениями. Пример 1. Применение в качестве индукторов двух на ходящихся в вакууме (скорость распространения поля равна скорости света) жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускается синусоидальный ток. В примере представлен расчет влияния параметров способа (расстояния L между индукторами, сдвига t2 токов по фазе, круговой частоты тока w и частоты тока N) на эффективность способа. Расчет выполнен для двух взаимодействующи х индукторов, находящи хся на фиксированном расстоянии L (закрепленных на какой-либо платформе), причем размер индукторов и длина их обмоток меньше расстояния между индукторами. Пусть по обмотке индуктора 1 протекает синусоидальный ток I1 = I0 × sin wt, создающий в области расположения индуктора 2 индукцию B1 = B 0 × sin(wt - t 1), где B0 определяется конструкцией индуктора, величиной I0 и свойствами среды, разделяющей индукторы, a t1 - сдвиг по фазе индукции, определяющийся расстоянием L между индукторами и соответственно временем запаздывания взаимодействия, а по обмотке индуктора 2 протекает ток I2 = I0 × sin(wt - t2), где t2 - заданный сдвиг по фазе, тогда в области расположения индуктора 1 будет создана индукция B2 = B 0 × sin[wt - (t1 + t2)]. В этом случае сила F 1 - 2 , с которой поле индуктора 1 воздействует на индуктор 2, составит (коэффициенты пропорциональности опущены) F1 - 2 = B1 × I 2 = B0 × sin(wt - t1) × I 0 × sin(wt - t 2), а сила F2 - 1, с которой поле индуктора 2 воздействует на индуктор 1, составит соотве тственно F2 - 1 = -B2 × I 1 = -B0 × sin[wt - (t1 + t 2)] × I 0 × sinwt (знак "-" перед величиной B2 связан с противоположным направлением распространения поля). Таким образом, сила F, воздействующая на систему из двух индуктор в целом, буде т равна F = F1 - 2 + F 2 - 1 или F = B0 × I0(sin(wt - t1) × sin(wt - t2) - sin{wt - (t1 + t2)] × sinwt) = B0 × I0(sinwt × coswt1 - coswt × sint1) × (sinwt × cost2 coswtsint2) - sinwt[sinwt × cos(t1+ t2) - coswtsin(t1 + t2)]} = B 0 × I0 × sint1sint2(sin2wt + cos2wt) = B0 × I0 × sint1sint2. Поскольку t1 = 2pt2 : T, где t L = L : V (время запаздывания) и T = 1 : N (период колебаний) то tL = 2pLN : V, и F имеет максимальные значения при sint1 = sint2 = 1 или при t1 = t 2 = p : 2, то есть 2pLN : V = p : 2 и L = V : 4N. Таким образом, сила, воздействующая на систему из двух индукторов, будет максимальной в том случае, если L = V : 4N и t 2 = p : 2. Если через индукторы, находящихся на расстоянии L, пропустить ток с частотой w', отличной от p t2 = , 2 то можно записать оптимальной w0, и со сдвигом по фазе t1 = I0 × sin(wt) B1 = R0 × sin(w't - t 1) p I2 = I0 × sin(w' t - t 2 ) = I0 × sin(w' t - ) = I0 × cos(w' t ) 2 p B2 = B0 × sin[w' t - ( t1 + t 2 )] = B0 × sin[w' t - ( t1 + )] = B 0 × cos(w' t - t 1). 2 При этом сила, воздействующая на систему в целом, буде т равна F = I 0 × B 0[sinw't × cos(w't - t1) - cosw'tsin(w't - t1)] = I 0B0 × sint1. Поскольку t1 = 2pt2 : T' = w'tL, где w' = w0 + Dw,то t1 = w't 1 = w0t L + DwtL и sint1 = sin(w0tL + DwtL) при w0tL = p : 2 равен sint1 = sin(Dw × tL + p : 2) = cos(DwtL) = cos(pDw : 2w0). Таким образом, при малых отношениях Dw : w0 величина cos(pDw : 2w0) незначительно отличается от i. Так, при Dw : w0 = 0,05 величина cos(pDw : 2w0) превышает 0,99, а это означает, что неизбежные отклонения частоты тока не будут существенно влиять на движущую силу. Поскольку для параллельных проводников величина индукции пропорциональна 1 : L, то для двух таких жестко связанных проводников, по которым протекает ток частотой 75МГц и величиной 1А со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и находящихся в вакууме на расстоянии 1м, величина движущей силы составит 4 ´ 10-9Н на 1см длины проводника, что в 2 раза превышает силу взаимодействия двух аналогичных проводников в случае применения постоянного тока той же величины. Пример 2. Применение в качестве индукторов двух находя щихся в вакууме жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток частотой 75МГц со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и расстояние между которыми составляет 0,001м, обеспечивает величину движущей силы ~6,3 ´ 10-9Н на 1см длины проводника. Пример 3. Применение в качестве индукторов двух жестко связанных с разделенных фарфоровой пластиной толщиной 0,001м параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток частотой 28,3МГц и величиной 1А со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода (максимальная разность потенциалов между индукторами равна 8кВ) величина движущей силы также составит 6,3 ´ 10-9Н на 1см длины проводника. При этом расстояние между проводниками больше величины U : Eпр = 8кВ : 9000кв/м = 0,00089м (9000кВ/м - электрическая прочность фарфора). Возможность снижения частоты тока (по сравнению с примером 2) определена тем, что скорость распространения поля в фарфоре в ~2,65 раза меньше, чем в вакууме. Согласно вышеизложенным данным заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами: а) позволяет создать движущую силу в безопорном пространстве; б) не требует относительного движения индукторов, что упрощает применение способа; в) сила, воздействующая на систему из двух индукторов, в 2 раза больше чем сила, воздействующая на каждый из индукторов, что повышает эффективность способа. Изобретение при его использовании позволит приводить в движение объекты, находящиеся в безопорном пространстве, например космические корабли, а также осуществлять изменение их ориентации в пространстве. По сравнению с применяющимися в на стоящее время реактивными (ракетными) способами создания движущей силы данный способ отличается повышенной безопасностью и простотой изменения направления силы.