Можно ли использовать магниты для запуска космических кораблей?

Магнитное поле Земли слишком слабое, чтобы отталкиваться от него с силой, необходимой для запуска чего-либо на орбиту. На самом деле это очень легко продемонстрировать. Возьмите один магнит на холодильник, положите его на кухонные весы и запишите его вес. Затем переверните магнит и взвесьте его также с обратной полярностью. Вы не должны видеть никакой разницы, и весы будут показывать одинаковый вес в обоих случаях, что-то, что вы ожидаете, будет сильно отличаться, если магнитное поле Земли будет настолько сильным, что оно существенно сведет на нет гравитационное ускорение в одном случае и увеличит силу притяжения, когда полярность магнита поменялась бы наоборот.

Что касается трубчатого туннеля с электромагнитами , скорость убегания Земли на его поверхности составляет 11,2 км/с (это 40 320 км/ч или 25 053,7 мили в час!). Часть этой скорости уже обеспечивается собственным вращением Земли, в зависимости от того, насколько далеко от экватора будет стартовая площадка (1670 км/ч на экваторе, 0 на истинных полюсах), но большая часть все же должна быть обеспечена запуском. система. Это много, что нужно системе маглев / рельсотрон, и потребуется либо огромная мощность на относительно коротком пути (возможно, несколько километров) для ускорений, которые не может выдержать ни один человек, или примерно 1472 км (914 миль) длинный путь, чтобы сдерживать ускорение. до 4 g, если бы система запуска находилась на экваторе.

Для достижения низкой околоземной орбиты (НОО) требуемая целевая скорость должна достигать примерно 8 км/с (28 800 км/ч или 17 895 миль в час) на НОО, но, поскольку, конечно, вся атмосфера все еще будет на пути, когда он выйдет. системы запуска, скорость на выходе должна быть намного больше, чтобы свести на нет атмосферное сопротивление. Для первоначального сверхзвукового удара также потребуются невероятно прочные материалы, чтобы противостоять ударным силам и аэродинамическому нагреву, а снаряду , вероятно, по-прежнему потребуются некоторые собственные средства движения, хотя бы для орбитальных маневров, коррекции траектории и спуска с орбиты. . Да, и в случае системы, предназначенной для людей, она должна была бы иметь системы аварийного выхода и безопасного спуска, все это увеличивало ее размер и вес.

Итак, как вы видите, у таких систем горизонтального пуска, использующих электромагнитную тягу, есть несколько серьезных недостатков, и вам все равно придется нести на борту большинство систем, которые используются для запуска ракет, даже если вы покидаете пусковую рампу на высоких скоростях. Еще немного о препятствиях на пути использования рельсотронов в качестве космических стартовых систем также обсуждается в двух похожих вопросах:

• Какие технологические препятствия мешают разработке космической пушки?
• Можно ли буквально выстрелить чем-то в космос?

Однако магнитное поле Земли может быть полезно для управления ориентацией на орбите, в основном для стабилизации выравнивания спутника вдоль длинной оси и/или сохранения определенной части, указывающей на надир, с помощью того, что мы обычно называем магнитотормозами . Они работают аналогично тому, как намагниченная стрелка ориентируется на магнитные полюса, только с использованием электромагнитных катушек с питанием. Но, как вы, вероятно, уже догадались, они не будут на самом деле надежными над магнитными полюсами Земли из-за колебаний магнитного поля, поэтому они оставят свои катушки обесточенными в этих областях, если спутник находится на полярной орбите. Для получения дополнительной информации о том, как они работают, я предлагаю выполнить поиск на нашем сайте с помощью тега magnetorquer .

Учитывая вопрос, как написано (а не вводящее в заблуждение название) - да, магнитный ускоритель можно использовать для запуска космического корабля.

Проблем с этим несколько.

1. содержимое корабля должно выдерживать воздействие магнитных полей, необходимых для ускорителей разумной длины.
2. трек
   1. линейная дорожка очень длинная
   2. круговая дорожка вызывает довольно высокие перегрузки на пассажиров
   3. высокие ускорения, необходимые для сокращения длины гусениц до разумных уровней.
3. замедление атмосферного трения
4. отсутствие вариантов прерывания
   1. прошло половину пути, недостаточное расстояние для остановки
   2. способность вращать полезную нагрузку в трубе не является хорошим использованием массы, за исключением режимов отказа, когда невозможность сделать это перемещает безопасную точку прерывания ниже половины пути.

НАСА рассмотрело возможность использования магнитных ускорителей для запуска и отвергло их как слишком ненадежные для того, что запускает НАСА. Дело не в том, что он не будет постоянно выводить вещи на орбиту, а в том, что эти вещи могут не пережить полет в рабочем состоянии. IEEE тоже; допустимая длина приводит к слишком высокому ускорению «для людей и хрупких грузов». ( Макнаб, 2003 )

Таким образом, остается ряд пунктов, где это было бы осуществимо. Еда, вода, топливо, предметы жизнеобеспечения (фильтры, скрубберы, газы), контейнеры для возврата проб, структурные компоненты, усиленная электроника.

Общие затраты еще не окончательно определены, но смета расходов на 2003 год без перерасхода превышает 1,3 миллиарда долларов на рельсотрон, а рельсы имеют ограниченный срок службы. Стоимость за килограмм должна быть сопоставима с некоторыми текущими предложениями по высокоэффективным методам запуска.

использованная литература

• Макнаб, Ян (2003 г.), Запуск в космос с электромагнитным рельсотроном , http://research.lifeboat.com/ieee.em.pdf

Чтобы ответить на эту часть вопроса:

Разве магнитная сила технически не сильнее гравитации??

Магнитная сила сильнее гравитации, но только на близком расстоянии.
Напряженность магнитного поля пропорциональна$1/r^3$, где r — расстояние до магнита.
Земная гравитация пропорциональна$1/r^2$, где r — расстояние до центра Земли.
В результате, когда вы удаляетесь от магнита, гравитация быстро становится доминирующей силой. Вы можете увидеть это в действии в поездах Maglev : они используют мощные магниты, чтобы зависнуть на несколько миллиметров над рельсами. Если вы хотите, чтобы поезд завис дальше, требуемая энергия быстро становится нецелесообразной.
Точно так же, если вы используете магниты для приведения в движение, движущая сила быстро падает, когда вы удаляетесь от магнита, и у вас остается снаряд без двигателя с недостатками, описанными @aramis и @tildalwave.

Существующие ответы в значительной степени показывают, почему это не сделано, но я также добавлю еще пару моментов:

1) Помните, что в наши дни взлетающая ракета тянет несколько G. Обратите внимание, как далеко он проходит, прежде чем двигатели выключаются, — сотни миль. Если вам нужна такая же перегрузка, вам нужно такое же расстояние — чтобы люди выжили в полете, ваша пусковая установка должна быть длиной в сотни миль. Очевидно, он должен стрелять по очень плоской траектории.

2) Ракета набирает большую часть своей скорости, находясь практически за пределами атмосферы. Пусковая установка с линейным двигателем получает свою скорость на земле и, таким образом, имеет серьезную проблему с сопротивлением - тем более, что она движется почти горизонтально. Вам понадобится ужасно большой автомобиль, чтобы он не потерял ВСЮ скорость в атмосфере. (Вы не можете преодолеть это, добавляя к скорости запуска, поскольку сопротивление увеличивается так же быстро, как и скорость.)

Мне нравится ваша идея, но я больше думал об использовании электромагнита, усиленного централизованным магнитным усилителем. Пояснение: маленький электромагнит внутри чуть большего, а тот чуть побольше внутри еще большего, и так далее, пока не получите нужную силу. Каждый магнит усиливает магнитное поле меньшего внутри него. Вы можете построить шахту с применением этой теории, вставить свою «полезную нагрузку» в «бочку», так сказать, включить магнит(ы), и полезная нагрузка запустится. Если вы пытаетесь запустить, скажем, на Луну, вы должны построить свою полезную нагрузку так, чтобы она была прочной, потому что, очевидно, она окажет довольно сильное воздействие.