Магнитный парус. Болонкин против Зубрина. Кто прав?

[Alex_semenov]

С 1990-х годов в научной литературе существует идея магнитного паруса. Поток плазмы солнечного ветра (в основном смесь протонов и электронов на скорости 500 км/с) попадая в поле токовой петли достаточно сложным образом взаимодействует с ним и создает силу, разгоняющую петлю и подвешенный к ней космический аппарат.



Наверное, лучшее что можно найти по-русски на этот счет - мой перевод очень старой работы Дэнфорда "Под парусом в протонном ветре":
http://go2starss.narod.ru/pub/E014_PPV.html
Вообще же самая классическая работа в этом направлении, работа Зубрина и Мартина The Magnetic Sail:
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/320Zubrin.pdf

Однако. Есть такая статья некого Болонкина:
http://arxiv.org/ftp/physics/papers/0701/0701060.pdf
или вот (тут читать через переводчик удобней)
http://auditing-science.narod.ru/p12.htm

В ней автор вскрывает глубокую ошибочность расчетов подобного паруса. Насколько я понял, он утверждает что все кто считает динамику ветра в петле недооценивает влияние электронов. Электроны, которые в тысячи раз легче протонов и потому динамика которых обычно не принимается при расчете импульса всерьез, зато создают в тысячу раз большее нейтрализующее магнитное поле.
Детали аргументации - в работе (там все очень коротко). Набор формул (2).
Электроны, попав в поле петли, начинают вращаться создавая нейтрализующее "противополе" в тысячу раз сильнее поля петли и таким образом (насколько я понял автора) есть минимальный ток в петле, который должен противодействовать электронному сопротивлению солнечного ветра. Иначе ветер не будет обтекать петлю.
Насколько оправдана аргументация Болонкина?
Как тогда это согласуется с динамикой магнитосферы Земли? Для нее тоже должна работать та же логика!
Статья на вики о магнитном парусе, кстати, аргументацию Болонкина, как я понял, вообще игнорирует:
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_sail

Кто прав?
Концепция магнитного паруса уже стала достаточно распространенным "инженерным мемом". На него возлагаются огромные надежды. Неужели идея действительно не годится (методика расчета Зубрина, которой все пользуются, неверна)? Болонкин возмущается в своей статье тем, что столь элементарную ошибку допускает огромное число маститых авторов да еще и съедают массу американских денег на НИОКР явно неверной идеи. Допустим он прав.
Меня лично смущает магнитное поле Земли. Почему здесь электроны не нейтрализуют поле планеты?



Но если Болонкина невправ, то в чем он ошибается? Каков реальный вклад электронов в динамику плазны обтекающей магнитную петлю?

[ivanhabalin]

Alex_semenov в сообщении #583336 писал(а):

С 1990-х годов в научной литературе существует идея магнитного паруса.

Не подскажите, а экспериментальная проверка за период "существования идеи" не кем не проводилась?

[Alex_semenov]

Насколько мне известно прямых - нет. Хотя делались разной степени детализации матмодели.
Дэнфорд и Зубрин сделали самые простейшие. О более сложных я не слышал. Но есть полу-эмпирические формулы от того же Зубрина, которые надо считать базой, основой. Физика плазмы опирается на достаточно простую "классику". Но как мы знаем из опыта термоядерщиков - там черт ногу сломает. С парусом - то же самое.
Но в данном случае вопрос "на поверхности".
Электроны и протоны попав в магнитное поле петли будут, разумеется закручитваться в разные стороны. При этом электроны вроде как будут закручиваться в тысячу раз "круче" (они менее массивны). Ларморовский радиус у них меньше. Вроде как получается два противотока. Протонный и электронный. Но будет ли электронный ток создавать в 1000 раз круче поле? Кстати, ситуация почти точь-в-точь что в магнитных системах удержания плазмы. В тех же открытых ловушках. Там ведь электроны в плазме отражать тяжелые ионы от "магнитных пробок" совсем не мешатю вроде... И это как раз уже экспериментально проверено. Поэтому теоретики таких ловушек должны ситуацию с парусом Зубрина и аргументацией Болонкина улавливать неплохо.
Ну и в конце коноцв вся физика магнитосферы Земли (в том числе и эксперементальная) - это по сути физика такого магнитного паруса. Нет?

[muhomor]

Alex_semenov в сообщении #583359 писал(а):

Но как мы знаем из опыта термоядерщиков - там черт ногу сломает. С парусом - то же самое.

И люди такие на этом форуме не пасутся

[Alex_semenov]

Допустим не водятся.
Ну а сами?
Интуиция мне подсказывает что должно быть какое-то решение на уровне здравого смысла.
Скажем, из чисто энергетических соображений.
Проще говоря, "на пальцах".

[muhomor]

Обыкновенный солнечный парус реальней магнитного.И реальность такова, 4 миллиграмма на
квадратный метр зеркальной плёнки.Прав тот кто конкретней критикует магнитный парус.

[Alex_semenov]

muhomor в сообщении #583430 писал(а):

Обыкновенный солнечный парус реальней магнитного.И реальность такова, 4 миллиграмма на
квадратный метр зеркальной плёнки.

Тут вопрос не в том "на чем бы полетать". Вопрос в физике конкретной концепции.

Цитата:

Прав тот кто конкретней критикует магнитный парус.

Конечно! А если конкретней подойти?

[muhomor]

В идею магнитного паруса заложили условно высокотемпературные сверхпроводники,но они
керамика и провода из них не гнутся.Потом пишут про поток протонов 10 в седьмой,да хоть в
миллиард больше это всё равно миллиграммы.Ну совсех сторон магнитный парус хуже зеркального
да и солнечный парус не получится всёравно.Думайте лучше про атомный ракетный двигатель

[ivanhabalin]

Основу плазменного потока составляют ядра водорода, в меньшей степени - гелия, других элементов, а также электроны. (это из Вик.)

Поясните, магнитный парус использует только кинетическую энергию вещества со скоростью 500км/сек. Или вещество собирается для дальнейшего преобразования?

muhomor в сообщении #583472 писал(а):

Ну совсех сторон магнитный парус хуже зеркального

Наверное так?

[Alex_semenov]

ivanhabalin в сообщении #583556 писал(а):

Основу плазменного потока составляют ядра водорода, в меньшей степени - гелия, других элементов, а также электроны. (это из Вик.)

Поясните, магнитный парус использует только кинетическую энергию вещества со скоростью 500км/сек. Или вещество собирается для дальнейшего преобразования?

У как все запущено!...

Вы бы по ссылкам хотя бы сходили, господа! Хотя бы на Дэнфорда. Там русским по белому все объяснено. Хотя расчетная модель у Дэнфорда не такая как У Зубрина но это же тонкости!
Я давал ссылку на ключевую (базовую) работу Зубрина 2000-го года.

Примерный перевод ключевого кусочка из http://www.niac.usra.edu/files/studies/ ... Zubrin.pdf
Стр. 6:

Гидродинамическая модель плазмы

В гидродинамической модели плазмы магнитный парус аппроксимируется как поле диполя (или набора диполей) который формирует сжатый пограничный слой из идеально проводящий плазмы ветра. В пределах такой границ магнитное поле присутствует но в области где давление плазмы за границей фронта достигает значительного динамического давления ($q =pV^{2}/2$) магнитное поле отсутствует. Условной границей считается фронт в пространстве, где давление магнитного поля уравновешивает давление плазмы $B^{2}/2\mu =q\cos ^2\omega$ , где $\omega$ - угол между направлением свободного потока солнечного ветра и нормалью к границе раздела. Такое взаимодействие магнитосферы Земли и солнечного ветра изображено на рис.2. Было установлено что, предполагая коэффициент сопротивления единица, граница магнитосферной области создает на магнитный парус радиусом $R_{m}$ и током $I$ давление $D$ которое можно рассчитать так:

$D=1.175\pi (p\mu^{1/2}I R_{m}^{2}V^{2})^{2/3}$

Конец цитаты.
Насколько я понял сам Зубрин неоднократно по мере развития идеи менял расчетную модель и судя по коэффициенту 1.175 перед нами как раз эмпирическая формула. Кстати ссыдка (9) это:

J.R. Spreiter and A.Y. Alksne, "Plasma Flow Around the Magnetosphere," Proceedings of the International Symposium on the Physics of the Magnetosphere, Sept. 1968, Wash, D.C.

Аж 1968-й год!
Меня вообще говоря эта штука волнует в приложении не к солнечному ветру а к торможению межзвездного корабля. Там плотность плазмы меньше (менее 0.1 $cm^{-3}$) но скорость плазмы, разумеется много больше (текущая скорость корабля).
Чем плохи эмпирические формулы?
Они могут не работать при сильном отклонении параметров. И межзвездный парашют может оказаться именно в такой ситуации.

[rustot]

по моему тут нет никакой необходимости исследовать плазму и вообще исследовать поле, создаваемое отклоняемыми зарядами. достаточно воспользоваться законом сохранения импульса

на сколько петля изменит импульс заряда на столько же в противоположном направлении изменится импульс петли в результате взаимодействия с полем заряда

магнитное поле петли не может поменять скорость летящего заряда по модулю, только по направлению. если петля отклоняет все заряженые частицы на 90 градусов, то она эквивалентна идеально поглощающему солнечному парусу. если на 180 - то идеально отражающему солнечному парусу (если считать что в солнечном ветре незаряженых частиц нет). большего чем удвоенный импульс частиц - не достичь принципиально

[muhomor]

rustot в сообщении #585513 писал(а):

(если считать что в солнечном ветре незаряженых частиц нет)

фотоны не заряжены и они дают четыре миллиграмма на кв. метр
а поток протонов десять в седьмой ,один грамм это шесть на десять в двадцать третьей степени

[rustot]

так я и говорю только о заряженых частицах. есть подозрение в желании покуситься на третий закон ньютона, без этого ничего заметного не получить, но тогда с этого и надо было начинать

[muhomor]

ну заряженных частиц в солнечном ветре совсем нанограммы

[ivanhabalin]

muhomor в сообщении #585550 писал(а):

ну заряженных частиц в солнечном ветре совсем нанограммы

А незаряженных наверное ещё меньше. Наверное про импульс.