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浅谈航天缆索的运用 a ‘ simple ’ idea, but one with an amazing number of uses PowerPoint PPT Presentation


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浅谈航天缆索的运用 a ‘ simple ’ idea, but one with an amazing number of uses. PB04203108 蔡昕昕 指导老师:程福臻. 电磁学基本原理. 产生电流 当导体在磁场中运动时, 带电粒子 受到与磁场和运动方向垂直的力的推动作用。线圈会受到与导体运动方向相反的作用力 F ,即洛仑兹力的另一分量。缆索系统就利用了电磁学最经典的现象来产生电流。. 外部驱动电流

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浅谈航天缆索的运用 a ‘ simple ’ idea, but one with an amazing number of uses

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Presentation Transcript


A simple idea but one with an amazing number of uses

浅谈航天缆索的运用a ‘simple’ idea, but one with an amazing number of uses

PB04203108 蔡昕昕

指导老师:程福臻


A simple idea but one with an amazing number of uses

电磁学基本原理

产生电流

当导体在磁场中运动时,带电粒子受到与磁场和运动方向垂直的力的推动作用。线圈会受到与导体运动方向相反的作用力F,即洛仑兹力的另一分量。缆索系统就利用了电磁学最经典的现象来产生电流。

外部驱动电流

在电路中加入电池,可以克服感应电流,逆转电子流方向,作用力因而改变方向。电动力学缆索用这种效果产生推动。


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航天缆索的工作原理

一条不闭合的缆索如何工作呢?

  • 客观条件:大气的电离层

    缆索与电离层交换电子,从一端(阳极)收集自由电子并将它们驱逐到另一端(阴极)。导电的电离层使该电路完成回路,结果产生一个稳定的电流.


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应用一:可提供飞船电能

  • 一个位于低地球轨道上的20千米长缆索,具有适当阳极设计,每秒吸收-0.5库仑电子,可产生

    P=UI=(E-RI)I=(BLv-RI)I≈BLvI

    =1(G)×20(Km)×10(Km/s)×0.5(A)

    ≈10千瓦的功率

    足以驱动载人飞船上的研究设备。

    ( 其中L=20Km ,B取地球平均磁感应强度1G ,I=0.5A, 在低地球轨道上v取速度10Km/s ,忽略R)


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应用二:降低或增加轨道上飞船的速度

在缆索中使用铝、铜或其他导体可以作为发电机。

缆索在由南地球磁场中自西向东穿过时,就会感应内部电子沿着缆索向下流动。(如左图)随之产生的作用力与飞船运动方向相反,降低其轨道高度。


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阻力效应的应用:清理地球轨道空间中的残骸

如果新发射的卫星携带有这样的装置,在其使用寿命即将终结时打开装置,或者利用机器人操纵器捕获到太空残骸碎片,并将它们携带到一个轨道缆索系统上,这种阻力效应可以加速其重返大气层的时间进程。


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动力效应的应用:解决国际空间站昂贵的上推等问题

通过使用光电池组或其他电源,在低地球轨道上逆转缆索的电流方向,缆索系统受到与其运动方向一致的作用力,从而造成推进以提升其轨道高度。

克服引力:每磅$ 7000(约$ 3000/Kg)

资料:如果采用一种其推进力只相当于空间站功率10%的电动力学缆索,十年内节约(77-17)吨=60吨推进燃料


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应用三:探索木星

客观条件:

木星的物理特性——木星有一个巨型磁场,比地球的大得多,磁层向外延伸超过6.5×107千米;具有随自身共同旋转

的磁化电离层,木星

的静止轨道大约在云

层上端的88,500千米

处,是地球的2.5倍。


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讨论一

  • 综上所述航天缆索的确具备很多的优势,仿佛给我们提供了一份免费的午餐 !?

  • 能量守恒定律告诉我们这是不可能的。

    例如,电能的产生是以牺牲卫星的高度为代价的,而高度又通过消耗火箭发动机的能量而获得;


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  • 那为何不让燃料电池直接将燃料转化成电能?

  • 缆索系统“提供飞船能源”,更准确的说是“用高于燃料电池的效率发电”,即缆索系统实际上更高效。

    缆索与火箭的组合能够比燃料电池产生更多的电能,因为电池不会从其燃料带来的轨道能量中获益,而前者可以(产生的电能即磁场阻力做功的功率)。


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讨论二

  • 航天缆索的局限性——不能唯一的提供动力。

    本质在于洛仑兹力不做功。

  • 那航天缆索的优势究竟来源于何处?

    这是利用了磁场“传递”能量的“过渡”过程。在这个中间过程中,人们通过分析使用不同种类能源所需的投资,获得效益。

    航天缆索的优势在于“更高效”.


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参考文献:

[1]《电磁学》普通物理学教程之三,胡友秋、程福臻、刘之景编,高等教育出版社

[2]《航天飞缆》,Enrico Lorenzini、Juan Sanmartín撰文,《科学》杂志,2004年第十期


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