Движение космического аппарата на основе модуляции кривизны пространства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК629.13

ДВИЖЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ МОДУЛЯЦИИ КРИВИЗНЫ ПРОСТРАНСТВА

КАЧУР С.А.__________________________

Предлагаются модель двойной системы черных дыр с радиопульсаром и метод определения траектории движения космического аппарата вблизи этой системы, а также модель системы модуляции кривизны пространства в земных условиях на основе двух ядерных реакторов и электромагнитного излучателя.

1. Введение и постановка задачи

О геометрии мира впервые сказал А.А. Фридман. Вопросам искривления пространства он посвятил несколько работ: «О кривизне пространства» (1922), «Мир как пространство и время» (1923), «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной» (1924). Ведутся поиски естественных пространственно-временных «коридоров» или «туннелей». Однако представляется, что такие «коридоры» предназначены не для космического аппарата (КА) и разрушительны для него.

В настоящее время все полеты КА в Солнечной системе осуществляются с применением пертурбационного маневра. Это специальный маневр, используемый для разгона или изменения траектории полета космического аппарата. Для проведения пертурбационного маневра используется сочетание одновременного воздействия гравитационных полей небесных тел на космический аппарат и импульс ракетного двигателя самого космического аппарата. Такой маневр впервые предложил осуществлять при космических полетах Ю. В. Кондратюк в работах «Тем, кто будет читать, чтобы строить» (1919), «Завоевание межпланетных пространств» (1929).

С точки зрения изменения кривизны пространства наибольший интерес представляют необычные свойства вращающихся черных дыр. Из эргосферы такой дыры можно извлекать энергию, в сотни раз превосходящую эффективность выделения энергии при термоядерных реакциях. На рис.1 представлено изображение вращающейся черной дыры в разрезе. Слева: горизонт событий окружен эргосферой, в которой тела, частицы и фотоны непрерывно двигаются, подхваченные вихревым гравитационным полем черной дыры. Справа: луч света, проходящий вблизи вращающейся черной дыры, изменяет свое движение.

22

Наиболее перспективным является модуляция пространства на основе двойной системы черных дыр с радиопульсаром. Однако радиопульсары со спутниками - черными дырами пока не открыты. Теория предсказывает, что на каждую тысячу радиопульсаров должен приходиться один пульсар в паре с черной дырой [1].

Рис.1. Схематическое изображение вращающейся черной дыры в разрезе

Одна из задач ближайшего будущего - обнаружение и исследование движения радиопульсаров в двойных системах с черными дырами. Для этого необходима разработка моделей такого рода объектов и новых подходов в целях повышения эффективности использования энергии космических объектов.

Черная дыра - космический объект, возникающий в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров, равных его гравитационному радиусу (для внешнего наблюдателя). У черной дыры имеются три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Лучи света вблизи черной дыры загибаются, двигаются по круговым траекториям и даже засасываются в черную дыру (рис.2).

Рис. 2. Лучи света вблизи черной дыры

Представляется, что реликтовое излучение - равномерно распределенное во Вселенной электромагнитное излучение. Свойства двойной системы, компонентами которой являются две черные дыры с радиопульсаром на орбите, определяют возможность модуляции пространства для КА. При реализации это приведет к маневру на основе электромагнитных полей и излучений. Назовем такой маневр электромагнитным.

Электромагнитный маневр - это маневр, использующий эффект искривления пространства в результате

РИ, 2013, № 2

взаимодействия электромагнитных полей космических объектов с электромагнитным полем КА. Одновременное использование кривизны пространства и гравитационных полей превзойдет в разы эффекты применения этих маневров независимо.

Цель работ ы - создание метода определения траектории движения КА на основе электромагнитного маневра.

щей паузой на участке (ОВ). Таким образом, направление движения пульсара соответствует направлению перетекания массы. Фазы перетекания массы чередуются с фазами покоя.

При движении пульсара по направлению (ВО) изменение значений масс черных дыр можно описать гармоническим осциллятором следующими формулами:

Для описания электромагнитного маневра вблизи двойной системы черных дыр с пульсаром опишем гипотетическую схему строения такого объекта и представим имитационную модель такой структуры для реализации модуляции кривизны пространства в земных условиях.

2. Гипотетическая схема двойной системы черных дыр с пульсаром и модуляции искривления пространства для КА

Представляется, что схема движения двух черных дыр р и Р2 с пульсаром П на орбите может быть представлена рис. 3. Ось вращения системы проходит через центр (точка О) и перпендикулярна к плоскости рисунка. Штрих-пунктирной линией обозначена траектория движения радио пульсара, описывающая вокруг каждой черной дыры ее зргосферу. Вращательное движение этих двух сфер создают эргосферу системы, которая определена на рис.3 внешней окружностью. Исходя из предложенной модели строения системы, со стороны внешнего наблюдателя такая система не отличается от черной дыры.

Рис.3. Гипотетическая схема строения двойной системы черных дыр с радиопульсаром

М 2 = Мmax (1 - COS2 Y) , (1)

М1 = МmaxCOs2 Y , (2)

где Mi, М2 - массы соответственно черных дыр Рі и Р2 ; Mmax - суммарная масса двойной системы черных дыр; Y - угол между направлением от точки В до пульсара и осью АВ.

При движении пульсара по направлению (АО) масса Р1 определяется по формуле (1), а масса Р2 - по формуле (2).

Положению пульсара на плоскости (D1DD2) или (Е1ЕЕ2), при котором в =45°, а =90°, соответствует соотношение масс черных дыр 1:1. Масса пульсара определяется в этом граничном состоянии из соотношений между массами небесных тел и расстояниями между ними (FD), (FE) и (DE):

gMn M2 + gМп M2 = gMjM2

R2 5R2 4R2 , ( )

M1 = M2 = Mmax /2, (4)

где МП - масса пульсара; R - радиус эргосферы черных дыр; g - постоянная гравитации.

В результате несложных преобразований формул (3), (4) получим

МП = T-TМmax ~ 0,1Мmax . (5)

9,6

Можно предположить, что исходными параметрами для определения изменения кривизны пространства вблизи двойной системы являются: суммарная масса системы Mmax; радиус орбиты пульсара R; предельная

частота излучения Wd, соответствующая полной аккреции на одну из черных дыр; время иррегулярного изменения излучения р доля истекающей массы по

отношению к полной массе объекта Pd.

В процессе перетекания массы от черной дыры Р2 к Р1 радиопульсар П перемещается из нижней части схемы в верхнюю, т. е из точки В в точку О. В точке О масса черной дыры Р2 становится равной нулю, масса Р1 - суммарной массе системы. При перемещении радиопульсара из точки О в точку А перетекание масс отсутствует. В случае движения радиопульсара из А в В процесс перетекания массы повторяется в обратном направлении от Р1 к Р2 на участке (АО) с последую-

Поскольку в дальнейшем для построения системы модуляции пространства в земных условиях будет рассматриваться в качестве аналога черной дыры ядерный реактор, последние три параметра определены по аналогии со следующими параметрами ядерного реактора: W - частота изменения реактивности; l -

время жизни мгновенных нейтронов в - доля всех запаздывающих нейтронов по отношению к полному числу нейронов.

РИ, 2013, № 2

23

По аналогии с ядерным реактором нулевой мощности в области высоких частот [2] коэффициент усиления двойной системы черных дыр при нахождении пульсара в точке О можно определить по формуле

Kd = («did)-1. (6)

Коэффициент усиления Ki в случае нахождения пульсара в произвольной точке F во время фазы перетекания массы определяется следующим образом:

Ki

1

«Л

(7)

«і = Z«d, (8)

FE Z =— FD

(9)

где |FD| и |FE| - расстояния от пульсара до соответственно черных дыр Р1 и Р2.

С учетом Доплер-эффекта вещества (топлива), используя вывод для ядерного реактора, приведенный в [3], запишем формулу расчета коэффициента искривления пространства:

k =

(10)

Учитывая, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света с, а длина волны должна соответствовать расстоянию между центрами черных дыр, частота пульсара определяется по формуле

«

П

с

2R .

(11)

Модуляция кривизны пространства осуществляется в фазе перетекания энергии (массы) за счет изменения

частоты излучения «1, которое определяется положением пульсара.

3. Метод построения траектории движения КА вблизи двойной системы черных дыр

Определим траекторию полета космического аппарата и требуемые значения его параметров для прохождения через двойную систему черных дыр с пульсаром в фазе искривления пространства. Наиболее безопасным для КА является положение пульсара при а = 45° .

Рассмотрим траекторию движения КА (рис.4). Движение КА в искривленном пространстве начинается в точке А, отстоящей от центра двойной системы (точка О) на расстояние L1:

Пространство расширяется с коэффициентом к до уровня (скорость КА на участке (ВСВ) равна) с расстоянием (АК):

L2 = kR. (13)

На интервале (SBC) движение происходит без искривления пространства. На интервале (СВ) наступает сжатие пространства с коэффициентом к. При выходе из петли (ВСВ) КА возвращается в исходное пространство с коэффициентом кривизны, равным 1, что соответствует участку траектории (BDEA). Радиус сферы (ОЕ), определяющий границу искривления пространства, равен kR.

Рис.4. Траектория движения КА вблизи двойной системы черных дыр с радиопульсаром

Для того чтобы КА мог осуществить движение по описанной траектории, значения его параметров должны удовлетворять следующим условиям.

1. КА должен иметь ретранслятор энергии, работающий на частотах «1 и «П . Вопросы ретрансляции

энергии для ядерного реактора вблизи мгновенной критичности рассмотрены в работах [4, 5].

2. Скорость КА на участке (ВСВ) не должна превышать 2(м/с), где Z определяется по формуле (9). Это условие рассмотрено в [3] при сжатии пространства

VS = c«1ld . (14)

3. Скорость КА на участке (АS) не должна превышать

VKA = kV™. (15)

L1 = 2kR.

(12) 4. Максимальная масса КА определяется для его

положения в точке F из соотношения

24

РИ, 2013, № 2

gkMKA M2 + gkMKA М п = gMtM2 (R/2)2 (R/2)2 = (2R)2 ’ (16)

При а = 45° М2 ~ 0,08Mmax, Мп ~ 0,104Mmax. Принимая, что М2 ~ Мп=0,1 Mmax, из соотношения (16) получим

М

КА

0,028М_

k

(17)

5. При попадании в петлю сжатия КА должен подняться над плоскостью, в которой находятся П, Р1 и Р2, на расстояние h:

R

h = — tg(Y /2). (18)

k

6. Время пребывания КА в каждой из четырех фаз искривления пространства: 1) расширение (участок траектории (AS)); 2) пауза (участок траектории (SBC)), для которой искривление пространства отсутствует; 3) сжатие (участок траектории (СВ)); 4) восстановление (участок траектории (BDEA)).

Соотношение времени для различных фаз в нашем (Т1) и искривленном (Т2) пространстве представим в следующем виде:

Т1 — т : Т - Т /к : т /к : 2 т,

Схема расположения компонентов системы соответствует рис.4. Для положения излучателя а = 45о. В

составе ядерного топлива содержится 239Pu, в =0,0021, время жизни мгновенных нейтронов /=10-8с.

Запуск двойной системы реакторов осуществляется внешним электромагнитным воздействием. Минимальная частота внешнего воздействия соответствует максимальной длине волн реликтового излучения (X=1,5мм), которое является равномерно распределенным во Вселенной электромагнитным излучением. При расчете используется известная формула [6]

с

“вн.гшп =X . (21)

Применив передаточную функцию реактора для расчета коэффициента усиления K, определим запускающую частоту конкретного реактора при условии, что K=1/c=1/3108, по следующей формуле:

с

“вн = у. (22)

Максимальное расстояние Lm.max от запускающего внешнего излучателя до реактора Р1 определяется из соотношения [6] (частота указана в рад/с)

W

вн.max

L

вн.max

пп

= с, и=1, 2, 3...3108.

(23)

Т2 — т /к : т - Т /к : т : 2 т.

Величина временного интервала т определяется как базисная из анализа сжатия в соответствии с

формулой

і R т = k—— V(c) . v KA (19)

Период модуляции пространства равен

и II Н (20)

Исходными параметрами модели системы являются: 1) радиус Л=500м; 2) суммарная масса ядерного топлива реакторов Мтх=20т; 3) минимальная частота изменения реактивности W =0,3(3)Гц.

Определим параметры системы модуляции пространства.

1. Коэффициент асимметрии в соответствии с формулой (9): Z =1,47.

2. Частота изменения реактивности в соответствии с

Модуляция кривизны пространства КА заключается в изменении частот ретранслятора в соответствии с изменением положения радиопульсара и коррекцией скорости полета в зависимости от кривизны пространства.

Реальное искривление пространства производит двойная система черных дыр с радиопульсаром, но возможность попасть в это пространство определяет КА и таким образом модулирует кривизну своего пространства, осуществляя электромагнитный маневр.

4. Модель системы модуляции кривизны пространства в земных условиях

Определим структуру системы, имитирующей искривление пространства двойной системой черных дыр с радиопульсаром. В состав имитирующей системы входят: реактор Р1, реактор Р2, излучатель электромагнитных волн П, движущийся объект.

формулой (8): “:=0,49Гц.

3. Коэффициент искривления пространства в соответствии с формулой (10): к=7,024.

4. Массы компонентов системы в соответствии с формулами (2), (1), (5): Мі=18,4т, М2=1,6т, МП=2т.

5. Частота электромагнитного излучателя в соответствии с формулой (11): юП =3105 Гц.

6. Минимальная частота запускающего внешнего электромагнитного излучения в соответствии с формулой

(21): “ en.min='2' 1011 Гц.

7. Максимальное расстояние от запускающего внешнего излучателя до реактора Р1 в соответствии с формулой (23): Ьвн=2,25 105м.

Определим параметры движущегося объекта.

1. Скорость объекта на участке сжатия в соответствии с формулой (14): V~c)= 1,47 м/с.

РИ, 2013, № 2

25

2. Скорость объекта на участке расширения в соответствии с формулой (15): Vp= 10,3 м/с.

3. Масса объекта в соответствии с формулой (17): Мо=79,7кг.

4. Высота поднятия объекта относительно плоскости реактора и излучателя в соответствии с формулой (18): й=18,5м.

5. Частоты электромагнитного излучения: 0,49Гц и 3105 Гц.

Определим параметры траектории и время движения объекта.

1. Расстояние от объекта до центра двойной системы реакторов в соответствии с формулой (12): ^!=14,048км.

2. Расстояние от объекта до границы области расширения в соответствии с формулой (12): ^2=7,024км.

3. Соотношение времени для различных фаз в нашем Т1 и искривленном Т2 пространстве в соответствии с формулой (19):

Т1 — 40мин. : 34,3мин. : 5,7мин. : 1ч 20мин.,

Т2 — 5,7 мин. : 34,3мин. : 40мин. : 1ч 20мин.

4. Период модуляции пространства в соответствии с формулой (20): Т=2ч 40мин.

Движущимся объектом в рассмотренной модели системы модуляции пространства на первый взгляд может быть человек, но в этом случае частоты электромагнитных излучений мозга человека должны соответствовать 0,49Гц и 3 105 Гц. Кроме того, в работе [5] показано, что запускающий излучатель, функционирующий на частотах порядка 1012Гц при воздействии на реактор, можно представить в виде эквивалентной схемы, включающей два излучателя: высокочастотный излучатель на частоте 3105Гц (Wj) и низкочастотный излучатель на частоте 3,310-2Гц (W 2). Низкочастотный излучатель является скрытым, поскольку минимальное расстояние от него до реактора составляет в соответствии с (23) 4,2109 м. В этом случае сердце человека должно иметь способность работать с частотой 2 удара/мин. У казанные параметры зависят от индивидуума. Поскольку природа человека не известна, необходима разработка индивидуальных средств защиты при изучении пространственно-временных явлений.

5. Заключение

Теоретическая новизна. Предложены модель двойной системы черных дыр с радиопульсаром и метод определения траектории движения космического аппарата вблизи этой системы. Введено понятие электромагнитного маневра, позволяющего использовать космическим аппаратом пространственно-временные

изменения вблизи двойных систем черных дыр. Определены условия, при которых КА может совершать перемещение во времени и пространстве. Дано понятие модуляции кривизны пространства КА, которая заключается в изменении частот ретранслятора КА в соответствии с изменением положения радиопульсара и коррекцией скорости полета в зависимости от кривизны пространства.

Разработана модель системы модуляции кривизны пространства в земных условиях на основе двух ядерных реакторов и электромагнитного излучателя.

Практическая значимость. Использование предложенной модели двойной системы черных дыр с радиопульсаром направлено на повышение эффективности исследования космических объектов, расширение возможностей освоения космоса, разработку моделей и методов построения траектории межгалактических полетов. Применение в земных условиях систем модуляции кривизны пространства позволит выйти на новый уровень использования и управления энергией электромагнитных полей.

Основной проблемой электромагнитного управления и модуляции кривизны пространства, которой не уделяется должного внимания, является обеспечение безопасности человека в случае электромагнитного воздействия и изменения пространственно-временных характеристик. Кроме того, необходимо проведение работ по созданию ретранслятора энергии, работающего на частотах искривления пространства.

Литература: 1. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязиво: Век 2, 2007. 320 с. 2. Емельянов И.Я., Ефанов А.И., Константинов Л.В. Научнотехнические основы управления ядерными реакторами. М.: Энергоиздат, 1981. 360с. 3. Качур С.А. Модель движения космического аппарата при межгалактических полетах и теория космического реактора// Радиоэлектроника и информатика. 2012. №2. С.43-49. 4. Качур С.А. Управление ядерным реактором посредством внешнего электромагнитного излучения// Пром. теплотехника. 2012. Т.34, №4. С.39-43. 5. КачурС.А. Ретрансляция энергии ядерного реактора вблизи мгновенной критичности// Пром. теплотехника. 2013. Т.35. №2. С.37-42. 6. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика. М.:Наука,1979. 608с.

Поступила в редколлегию 26.04.2013

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Копп В.Я.

Качур Светлана Александровна, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств Севастопольского национального университета ядерной энергии и промышленности. Научные интересы: сети Петри, моделирование, управление сложными техническими системами, системный анализ сложных систем управления, безопасность управления реакторными установками. Адрес: Украина, 99029, Севастополь, Пр. Острякова, 74-9,(0692) 57-09-92, 0934310286.

26

РИ, 2013, № 2