Sistema de propulsión de campo magnético de corriente segmentada
US20190168897A1
Estados Unidos
- Inventor
james wayne purvis
Aplicaciones en todo el mundo
2019 NOSOTROS
Aplicación US16/243,327 eventos
2019-01-09
2019-06-06
2019-12-24
Solicitud concedida
2019-12-24
Estado
Activo
2039-01-09
Caducidad anticipada
Descripción
[0001] La presente invención describe sistemas y métodos para la propulsión de naves espaciales por campos electromagnéticos. En particular, estos sistemas y métodos generan fuerzas de Lorentz unidireccionales mediante la acción de campos magnéticos de bobinas de activación de campos electromagnéticos sobre corrientes en segmentos no blindados de ensamblajes de empuje de reacción, produciendo así empuje sin expulsar masa.[0002] Un problema importante al que se enfrenta la futura exploración espacial son las tecnologías de propulsión. La combinación de la masa del motor, la masa del propulsor y el tanque asociado en los sistemas de propulsión tradicionales impone límites prácticos a las misiones espaciales. El Stafford Synthesis Group (Stafford, America at the Threshold ) concluyó que la futura exploración espacial requerirá tecnologías de propulsión avanzadas. Posteriormente, la NASA llevó a cabo el Programa Breakthrough Propulsion Physics (NASA/TM-1998-208400), cuyo objetivo era identificar nuevos conceptos de propulsión que requirieran una masa propulsora mínima o nula. Alcanzar este objetivo requiere "descubrir formas fundamentalmente nuevas de crear movimiento, presumiblemente mediante la manipulación de la inercia, la gravedad o cualquier otra interacción entre la materia, los campos y el espacio-tiempo".[0003] La propulsión de campo emplea efectos de campo electromagnético para generar fuerzas de propulsión, no expulsa masa de reacción y, por lo tanto, tiene un impulso específico infinito. Antes de la electrodinámica moderna, se había aceptado previamente que las interacciones del campo magnético no podían usarse para producir un sistema de propulsión sin propulsor debido al cumplimiento requerido de la Tercera Ley de Newton (NTL). Sin embargo, los físicos han sabido desde al menos 1952 de aparentes violaciones de NTL, lo que ha llevado a más de treinta patentes estadounidenses y al menos dos docenas de patentes extranjeras emitidas para dispositivos de propulsión sin propulsor. Lo que es más importante, investigaciones experimentales recientes realizadas por la NASA con un dispositivo de accionamiento EM (White, AIAA Journal of Propulsion and Power ) han confirmado definitivamente que la propulsión de campo EM es una realidad.[0004] Una de las características importantes de una onda electromagnética (EM) es que puede transportar energía de un punto a otro. Stebens (Stebens, Forces on Fields ) demuestra matemáticamente que en el electromagnetismo, como en la mecánica de cuerpos sólidos de Newton, la fuerza sobre la materia de un campo electromagnético se equilibra con una fuerza igual y opuesta de la materia sobre el campo. El premio Nobel Richard Feynman ( The Feynman Lectures on Physics ), entre otros, señaló que la interacción magnética entre dos partículas cargadas que se mueven ortogonalmente entre sí aparentemente no satisface la NTL en la dinámica newtoniana clásica; pero, si se incluye el momento cambiante de los campos electromagnéticos de las dos partículas, entonces se conserva el momento total.[0005] Aunque las cargas en movimiento aisladas aparentemente pueden violar NTL, si están confinadas como parte de un circuito cerrado completo, la aplicación de la Ley de Gauss da como resultado que las fuerzas netas en cada circuito sean iguales y opuestas de acuerdo con NTL. Sin embargo, la Ley de Biot-Savart de la física clásica se ha utilizado recientemente para demostrar que el campo magnético de una bobina conductora rectangular, actuando sobre una configuración geométrica específica de un segmento de corriente aislado, genera una fuerza unidireccional en el sistema de segmento de bobina (Purvis , Comunicación privada de la USPTO). La presente invención es un diseño de ingeniería desarrollado a partir de esta geometría de "corriente segmentada" que evita el problema de "completar el circuito" para crear un sistema de propulsión de nave espacial de campo electromagnético. Este sistema de propulsión de naves espaciales de campo electromagnético,[0006] A través de un fenómeno electrocinético denominado efecto Biefeld-Brown, la entrada de energía eléctrica en los condensadores asimétricos se puede convertir en energía mecánica que luego proporciona una fuerza para impulsar un objeto. TT Brown, co-descubridor del efecto Biefeld-Brown, ha recibido la patente de EE.UU. Nº 2.949.550, Patente de EE.UU. nº 3.018.394 y la patente de EE.UU. Nº 3.187.206 para dispositivos basados en la utilización del efecto. El colega de Brown, AH Bahnson, también ha obtenido la patente de EE.UU. Nº 2.958.790 Patente de EE.UU. Nº 3.223.038 y la Patente de EE.UU. Nº 3.227.901 utilizando el efecto. La NASA todavía está investigando el uso del descubrimiento de Brown, como se revela en la patente de EE.UU. Nº 6.317.310, Patente de EE.UU. Nº 6.411.493 y Patente de EE.UU. Nº 6.775.123 de Campbell (asignado a la NASA). Otro dispositivo de este tipo se describe en la patente de EE.UU. N° 6.492.784 a Serrano, que genera el efecto Biefeld-Brown utilizando condensadores asimétricos de discos apilados. El debate está en curso en la literatura sobre si el efecto Biefeld-Brown funcionará en el vacío del espacio. Otra limitación para usar el efecto puede ser el potencial de escalabilidad, ya que los dispositivos de capacitores asimétricos hasta la fecha han reportado consistentemente 50 milinewtons de empuje de 35 a 45.5 watts de potencia de entrada.[0007] El ejemplo más actual de un sistema de propulsión de campo sin propulsor es un sistema de accionamiento electromagnético como se describe en las patentes británicas GB2229865, GB2334761, GB2399601 y la solicitud de patente del Reino Unido GB2537119 de Shawyer, así como en la patente de EE.UU. aplicación Nº 20140013724 a Fetta. Este sistema incluye una cavidad resonante axialmente asimétrica con una superficie interior conductora adaptada para soportar una onda electromagnética (EM) estacionaria. La cavidad resonante carece de simetría axial del segundo eje, lo que hace que la onda EM estacionaria induzca una fuerza unidireccional neta en la cavidad resonante, generando así empuje sin masa de reacción. Las versiones experimentales de estos dispositivos EM han informado niveles de empuje de prueba de 8 a 10 milinewtons a partir de 10,5 vatios de potencia para el motor Fetta-Cannae. Eagleworks de la NASA probó varias versiones, con 0,091 milinewtons de 17 vatios, 0.AIAA Journal of Propulsion and Power , op.cit.).[0008] Los enfoques de modificación de campo para la propulsión sin propulsor incluyen reducciones aparentes en la masa gravitatoria o la masa inercial. Patente de EE.UU. n.º 3.626.605 de Wallace describe un método y un aparato para generar un campo de fuerza no electromagnético variable en el tiempo debido al movimiento relativo de cuerpos en movimiento constituidos por elementos cuyos núcleos tienen valores de "espín" semiintegrales, mostrándose dicho campo de fuerza en el forma de una fuerza gravitatoria secundaria inducida.[0009] La solicitud de EE. UU. 2016/0254737 de Purvis describe un método que utiliza un componente de campo magnético mecánicamente acelerado que actúa sobre bobinas de reacción para la propulsión electromagnética sin propulsor de naves espaciales. El método incluye bobinas electromagnéticas tanto estáticas como giratorias en arreglos geométricos especiales que se requieren para que las aceleraciones del campo magnético giratorio produzcan un empuje sin reacción de las bobinas estáticas.[0010] Patente de EE.UU. Nº 5.280.864 de Woodward en 1994 describe un método para producir fluctuaciones transitorias en las masas de inercia de objetos materiales empleando un efecto que es una consecuencia de las teorías relativistas de la gravitación. Esta patente es una continuación en parte (CIP) de la solicitud Ser. Nº 07/521.992 presentada en 1990 como CIP de solicitud Ser. Nº 07/031.157 presentada en 1987 como CIP de la solicitud Ser. Nº 6/919.647 presentada en 1986, ahora todo abandonado. La patente utiliza básicamente transductores de fuerza piezoeléctricos vibratorios de alta frecuencia para acelerar una matriz de capacitores mientras aplica corriente alterna de alta frecuencia para hacer oscilar eléctricamente los iones en los dieléctricos. Se predijo que el efecto Mach relativista produciría fuerzas unidireccionales a partir de este sistema.[0011] En la posterior patente de EE.UU. Nos. 6.098.924, 6.347.766 y 9.287.840, Woodward describió varias mejoras al dispositivo de la Patente de EE.UU. Nº 5.280.864 para producir empuje sin propulsor mediante el uso de transductores de fuerza piezoeléctricos unidos a estructuras mecánicas resonantes, de acuerdo con el principio de Mach y las predicciones locales de invariancia de Lorentz de fluctuaciones transitorias de masa en reposo en objetos acelerados. El dispositivo fue designado como "Propulsor de efecto Mach". La última patente de EE.UU. No. 9,287,840 en 2016 incorporó un sistema de control de retroalimentación de sensor electrónico mejorado. Posteriormente, el dispositivo produjo 6-7 micronewtons de empuje con una potencia de entrada de 100 W, que es de aproximadamente 14 megavatios/newton. La divulgación admite que el dispositivo no es escalable y que serán necesarias matrices de múltiples dispositivos pequeños para generar empujes más grandes.[0012] Patente de EE.UU. Nº 10.135.323 de Purvis describe un dispositivo de descarga capacitiva de corriente segmentada para la propulsión de campos electromagnéticos de naves espaciales. El sistema incluye conjuntos de capacitores entre paréntesis por solenoides electromagnéticos configurados en geometrías de bobina Helmholtz. Los campos magnéticos generados por los solenoides que actúan sobre corrientes segmentadas en elementos de descarga conductivos durante la descarga del capacitor producen fuerzas unidireccionales, creando empuje sin masa de reacción. Otro concepto de corriente segmentada que utiliza condensadores se describe en la patente de EE.UU. Nº 10.006.446 de Purvis. El dispositivo incluye un condensador de elementos múltiples con placas segmentadas en el cátodo, un medio para cargar y descargar el condensador, un medio para girar el cátodo del condensador, una o más bobinas electromagnéticas, y un medio para dar forma periódicamente a los campos magnéticos de las bobinas. Este dispositivo utiliza interacciones entre los campos magnéticos de las bobinas y los elementos cargados giratorios en el cátodo para lograr empuje sin expulsar masa y con requisitos de potencia varios órdenes de magnitud menores que los sistemas propuestos actuales.[0013] La literatura abierta contiene un estudio ejemplar del uso de blindaje magnético para la propulsión espacial: la tesis de 1993 del comandante RJR Ladouceur en el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea titulada "Propulsión electrodinámica de bobina blindada (SCEP), un estudio de viabilidad". Ladouceur propuso el uso de un bucle conductor parcialmente blindado, en efecto una corriente segmentada, como medio de propulsión de satélites en órbita a través del campo magnético de la Tierra. Este trabajo pionero propuso utilizar el campo magnético de la Tierra como campo conductor, eliminando así cualquier preocupación sobre reacciones iguales y opuestas en un sistema cerrado. Sin embargo, el uso de dicho sistema estaría restringido a operaciones cercanas a la Tierra. Además, la fuerza de campo muy débil de la Tierra requiere grandes corrientes para generar fuerzas de propulsión significativas en el sistema. El estudio se centró de manera importante en la teoría de los materiales de blindaje y los campos formados en los blindajes que encierran a los conductores. Las pruebas experimentales de la eficacia del blindaje magnético pasivo demostraron de manera concluyente la viabilidad de usar blindaje magnético para reducir la fuerza del blindaje en más del 50 %. En particular, Ladouceur informó que midió a través de un péndulo de torsión 30 milinewtons de fuerza en una bobina blindada con 357 vatios de potencia de entrada.[0014] Una realización ejemplar de la presente invención incluye conjuntos de empuje de reacción, pantallas de campo magnético y bobinas de activación de campo unidas a una placa de soporte estructural en una relación geométrica especial. Los conjuntos de empuje de reacción se componen de conductores de corriente que tienen pantallas de campo magnético en segmentos de conductores de corriente contiguos alternos. Las secciones sin protección del conjunto de empuje de reacción están sujetas por las bobinas de activación de campo. Los campos magnéticos generados por las bobinas de activación de campo que actúan sobre las corrientes en los segmentos no blindados de los conjuntos de empuje de reacción producen fuerzas de Lorentz unidireccionales, lo que genera empuje sin expulsar la masa de reacción, mientras que el impulso de reacción es arrastrado por los campos vectoriales de Poynting de conformidad con los principios conocidos actualmente. de electrodinámica.[0015] Las realizaciones de la presente invención que generan empuje sin el uso de masa de reacción o propulsor expulsado lo hacen de una manera distinta de los dispositivos y métodos de Brown, Campbell, Serrano, Fetta, Wallace, Shawyer y otros, como se mencionó anteriormente. Los análisis de ingeniería y las pruebas de componentes indican que la presente invención es escalable para aplicaciones generales basadas en el espacio, y además que tales realizaciones pueden generar empuje del orden de decenas de newtons a partir de unos pocos cientos de vatios de potencia de entrada. Esta invención difiere de los sistemas de propulsión de campo experimentales actuales en que se pueden producir niveles de empuje significativos sin requerir grandes fuentes de energía eléctrica o sistemas complejos de control de generación de campo.[0016] Esta invención es capaz de un rango completo de aceleración simplemente variando las corrientes a través de bobinas apropiadas, cambiando mecánicamente la geometría de los generadores de campo magnético, o una combinación de ambos. Además, la traslación de tres ejes y la rotación de tres ejes se logran sin la necesidad de sistemas cardánicos o propulsores de actitud dedicados. A diferencia de las naves espaciales con sistemas de propulsión convencionales, el mejor modo de la presente invención es capaz de desacelerar hasta detenerse por completo o invertir el empuje para volar hacia atrás sin el requisito de girar la nave espacial 180 grados. Combinando estas ventajas con la capacidad de reutilización sin repostar, así como un empuje continuo de larga duración, esta invención representa un avance significativo en la propulsión de naves espaciales. Además de las aplicaciones basadas en el espacio,[0017] Los dibujos adjuntos, que se incorporan y forman parte de la especificación, ilustran varios principios de funcionamiento y ejemplos de la presente invención, incluida una realización preferida de la invención, así como realizaciones alternativas y, junto con la descripción detallada, sirven para explicar los principios de la invención.[0018] HIGO. 1 es un diagrama esquemático que ilustra la fuerza de Lorentz unidireccional que actúa sobre partículas cargadas que se mueven ortogonalmente en el mismo plano;[0019] HIGO. 2 es un diagrama esquemático que ilustra la Fuerza de Lorentz unidireccional en un conductor segmentado debido a una bobina electromagnética perpendicular;[0020] FIGURAS. 3A-B son diagramas esquemáticos que ilustran las líneas del campo magnético alrededor de un imán aislado y alrededor de un imán en la vecindad de un escudo de placa de hierro;[0021] FIGURAS. 4A-B diagramas esquemáticos de arco que ilustran las líneas de campo magnético alrededor de un semiconductor de efecto Meissner por encima y por debajo de su temperatura crítica;[0022] HIGO. 5 es un diagrama esquemático que ilustra el campo magnético radial inducido en un conductor circular plano por una bobina electromagnética coplanar;[0023] HIGO. 6 es un diagrama esquemático que ilustra el efecto del blindaje en el campo magnético radial inducido en un conductor circular plano por una bobina electromagnética coplanar;[0024] HIGO. 7 es un diagrama esquemático que ilustra la realización básica de la presente invención que utiliza un conjunto de empuje circular para producir un empuje axial;[0025] HIGO. 8 es un diagrama esquemático que ilustra el uso de bobinas de Helmholtz para mejorar el campo magnético;[0026] HIGO. 9 es un diagrama esquemático que ilustra una realización de la presente invención que utiliza un conjunto de empuje circular para producir un empuje lateral en el plano;[0027] HIGO. 10 es un diagrama esquemático que ilustra el mejor modo de la presente invención que utiliza un conjunto de empuje circular para producir empujes tanto axiales como laterales.[0028] A modo de mayor antecedente, la situación presentada enHIGO. 1 es bien conocido por los expertos en la materia y familiarizados con las obras de Feynman y otros. La figura ilustra dos partículas coplanares cargadas positivamente 8 y 9 moviéndose con respectivas velocidades ortogonales 10 y 11 , siendo el vector de velocidad 10 paralelo al eje y del sistema de coordenadas mostrado, y el vector de velocidad 11 siendo paralelo al eje x. En el instante que se muestra, la partícula 8 induce un campo magnético 12 sobre la partícula 9 , mientras que la partícula 9 no induce ningún campo magnético sobre la partícula 8 . Como resultado, un componente 4 de la Fuerza de Lorentzactúa sobre la partícula 9 , mientras que ninguna fuerza de reacción actúa sobre la partícula 8 . Esta situación ha sido bien estudiada en la literatura como una aparente violación de la Tercera Ley de Newton. Sin embargo, hasta la fecha, los intentos experimentales para diseñar un dispositivo de propulsión sin propulsor basado en este fenómeno han confinado las partículas cargadas en conductores de bucle de corriente continua y, de acuerdo con la ley de Gauss, cuando todas las fuerzas se toman en cuenta correctamente en los bucles de corriente continua, no hay red. La fuerza del sistema unidireccional se produce sobre el sistema.[0029] Con referencia aHIGO. 2 , una bobina electromagnética rectangular de una sola vuelta 15 , compuesta por cuatro segmentos conductores contiguos 25 , 35 , 45 y 55 , se coloca en el plano yz del sistema de coordenadas que se muestra de tal manera que el eje de simetría de la bobina está en la dirección del eje x. Cuando se energiza con una corriente 7 , la bobina 15 produce un campo magnético neto 2 con el componente vectorial más fuerte a lo largo del eje x. Un segmento conductor 5 que también transporta una corriente 7 se coloca paralelo y se desplaza a cierta distancia x del eje y de modo que cruce el eje de simetría de la bobina 15.como se muestra. El par de conductores horizontales 35 y 5 producen fuerzas de Lorentz iguales y opuestas entre sí de acuerdo con la Ley de Ampere. De manera similar, el par de conductores horizontales 55 y 5 producen fuerzas de Lorentz iguales y opuestas entre sí también de acuerdo con la Ley de Ampere. Los segmentos conductores verticales 25 y 45 producen distribuciones de campo magnético en la dirección del eje x a lo largo del segmento conductor horizontal 5 , lo que da como resultado la fuerza neta de Lorentz 4 en el segmento conductor 5 . Sin embargo, el segmento conductor 5no produce ningún campo magnético neto en ninguno de los conductores verticales 25 o 45 , como se verifica fácilmente utilizando la Ley de Biot-Savart. Por lo tanto, se produce una fuerza neta unidireccional en este sistema debido a esta configuración geométrica única. Es la innovación de la presente invención diseñar y explotar esta geometría de segmento conductor específico para producir empuje por reacción de campo electromagnético sin expulsar propulsor.[0030] A modo de mayor antecedente, la situación presentada enFIGURAS. 3A-B es bien conocido por los expertos en la materia y familiarizados con el efecto de una placa de hierro sobre el campo magnético.HIGO. 3A ilustra el campo magnético, representado por las líneas 10 , generado por un imán cilíndrico aislado 11 .HIGO. 3B ilustra la distorsión de las líneas de campo magnético 10 sobre el mismo imán cilíndrico aislado 11 cuando se coloca una placa de hierro 12 cerca de un polo del imán. Hay un área en el lado de la placa opuesto al imán que está protegido y contiene efectivamente un campo magnético reducido. La tecnología moderna ha producido materiales de protección contra campos magnéticos mucho más livianos y eficientes que la placa de hierro.[0031] A modo de mayor antecedente, la situación presentada enFIGURAS. 4A-B también es bien conocido por los expertos en la técnica y familiarizados con la capacidad de un superconductor de efecto Meissner para desplazar un campo magnético.HIGO. 4A ilustra las líneas de campo 13 de un medio magnético externo que pasa a través de un superconductor 12 cuando el superconductor está por encima de su temperatura crítica.HIGO. 4B ilustra la expulsión de las líneas de campo magnético 13 que se produce cuando el superconductor está por debajo de su temperatura crítica. En esta situación, el superconductor rechaza el campo magnético y no existen efectos de campo dentro del superconductor.[0032] Con referencia aHIGO. 5 , se coloca una bobina electromagnética 15 de manera que el eje de simetría de la bobina esté en el plano de un conductor circular 5 de una sola vuelta . Cuando se energiza, la bobina 15 produce un campo magnético 2 en su eje de simetría, y además produce la distribución de campo magnético 31 y 32 inducida en el conductor 5 . La parte 31 de esta distribución de campo apunta radialmente hacia el interior, mientras que la parte 32 apunta radialmente hacia el exterior. Esta distribución de campo magnético interactúa con la corriente en el conductor 5para producir una distribución de Fuerza de Lorentz continua, normal al plano del conductor, con la distribución 31 produciendo una fuerza dirigida de forma opuesta a la producida por la distribución 32 . De acuerdo con la Ley de Gauss, la integral de esta distribución de fuerza alrededor del conductor siempre resulta en ninguna fuerza neta sobre el conductor.[0033] Con referencia aHIGO. 6 , la disposición de la bobina 15 - conductor 5 deHIGO. 5 se modifica mediante la introducción del material de protección magnética 16 , como se ilustró anteriormente enFIGURAS. 4A-B y 5 A-B, alrededor de todo el conductor 5 excepto la parte del conductor 5 que se encuentra dentro del ángulo 33 . Suponiendo un blindaje perfecto, los únicos componentes de campo magnético radial producidos por la bobina 15 que interactúan con el conductor 5 son los componentes 31 . La adición del escudo 16 reproduce así enHIGO. 6 la geometría deHIGO. 2 , y da como resultado una fuerza de Lorentz unidireccional perpendicular al plano de la disposición de la bobina 15 y el conductor 5 .[0034] El resultado deHIGO. 6 , basado en la física conocida ilustrada enFIGURAS. 1-5 , comprende la base científica de la presente invención. El propósito de la presente invención es explotar la situación ilustrada enHIGO. 6 a través de un diseño geométrico apropiado al idear varias realizaciones de conductores de corriente continua que tienen segmentos de corriente blindados y no blindados expuestos a campos magnéticos externos de solenoides de tal manera que se producen fuerzas de Lorentz unidireccionales en el sistema de conductor de solenoide, generando así empuje sin expulsar propulsor.[0035] La presente invención se describirá ahora con más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran realizaciones preferidas de la invención. Sin embargo, esta invención puede realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en este documento. Más bien, estas realizaciones se proporcionan para que esta descripción sea exhaustiva y completa, y transmita completamente el alcance de la invención a los expertos en la técnica. Números similares se refieren a elementos similares en todas partes.[0036] La realización básica de la presente invención se ilustra enHIGO. 7 , que presenta una vista desde arriba de la geometría de la invención así como del método de generación de fuerzas y momentos. Una bobina conductora circular 14 , que consta de una o más vueltas de alambre conductor aislado que transporta una corriente 7 , está cubierta en tres segmentos separados con material de protección magnética 16 , por lo que la bobina 14 y las pantallas magnéticas 16 forman un conjunto de empuje de reacción 64 unido al soporte estructural placa 20 . Tres bobinas de activación de campo electromagnético 15 que tienen núcleos de alta permeabilidad magnética están colocadas simétricamente alrededor de la circunferencia y centradas en los segmentos no blindados de la bobina 14, unido y orientado con ejes de simetría alineados radialmente hacia el eje de simetría de la placa de soporte estructural 20 . Una unidad de suministro de energía 77 está unida al centro de la placa de soporte estructural 20 , dicha unidad tiene cableado conector 78 que suministra corriente tanto a las bobinas de activación de campo 15 como a la bobina 14 del conjunto de empuje de reacción. Cuando se energizan con corrientes variadas, las bobinas de activación de campo 15 producen campos magnéticos 2 , 23 y 28 , teniendo el campo 23 polaridad invertida con fines de ilustración, cuyos campos interactúan con las corrientes.7 en los segmentos sin blindaje de la bobina 14 en el conjunto de empuje de reacción 64 para producir componentes de fuerza de Lorentz unidireccionales 4 , 43 y 48 , con la fuerza 43 dirigida de manera opuesta con respecto a las fuerzas 4 y 43 como se muestra. El resultado es una fuerza de Lorentz unidireccional neta, que comprende el vector la suma de las fuerzas 4 , 43 y 48 , que es paralela al eje de simetría, es decir, perpendicular al plano, de la bobina 14 , como se muestra anteriormente enHIGO. 2 yHIGO. 6 . Además, los momentos debidos a las fuerzas 4 , 43 y 48 producen un par unidireccional neto en el sistema paralelo al plano del conjunto 64 de empuje de reacción .[0037] Una mejora adicional de la presente invención se ilustra enHIGO. 8 , que es una vista superior similar a la realización deHIGO. 7 . Una bobina conductora circular 14 , que consta de una pluralidad de vueltas de cable conductor aislado que transporta una corriente, está cubierta en tres segmentos separados con material de protección magnética 16 , la bobina 14 y las pantallas magnéticas 16 forman efectivamente un conjunto de empuje de reacción 64 unido a una placa de soporte estructural. 20 _ Seis bobinas de activación de campo 15 que tienen núcleos de alta permeabilidad magnética se unen además a la placa de soporte estructural 20 y se colocan simétricamente en pares de bobinas de Helmholtz, con una de cada par radialmente dentro y una radialmente fuera de la bobina 14, alrededor de la circunferencia y centrados en los segmentos sin blindaje de la bobina 14 del conjunto de empuje de reacción , con los ejes de simetría de cada par de bobinas 15 de activación de campo alineados radialmente hacia el eje de simetría de la placa 20 de soporte estructural . Cuando se energizan, las bobinas de activación de campo 15 producen campos magnéticos que interactúan con la corriente en los segmentos no blindados de la bobina 14 del conjunto de empuje de reacción para producir una fuerza de Lorentz unidireccional neta perpendicular al plano alineado radialmente hacia el eje de simetría de la placa de soporte estructural 20 . A través de variaciones apropiadas de las respectivas corrientes en las bobinas 15, se produce en el sistema un par unidireccional paralelo al plano de la bobina 14 del conjunto de empuje de reacción. El uso del emparejamiento de bobinas de Helmholtz mejora la intensidad del campo magnético y suaviza la distribución del campo en los segmentos no blindados de la bobina 14 .[0038] En la figura se ilustra una vista en perspectiva de otra realización de la presente invención.HIGO. 9 . Una bobina conductora circular 14 , que consta de una o más vueltas de cable conductor aislado que transporta una corriente, está cubierta en tres segmentos separados con material de protección magnética 16 , la bobina 14 y las pantallas magnéticas 16 forman un conjunto de empuje de reacción 64 . Tres bobinas de activación de campo electromagnético 15 que tienen núcleos de alta permeabilidad magnética están posicionadas circunferencialmente sobre el centro de los segmentos sin blindaje de la bobina 14 , con el eje de simetría de cada una de las bobinas de activación de campo 15 siendo perpendicular al plano del conjunto de empuje de reacción 64. Todos los componentes están unidos rígidamente a la placa de soporte estructural 20 en la geometría especificada. Cuando se energizan apropiadamente con corrientes variables, las bobinas de activación de campo 15 producen campos magnéticos 2 , 23 y 24 , el campo 24 tiene polaridad invertida con respecto a los campos 2 y 23 , cuyos campos interactúan con la corriente 7 en los segmentos no blindados de la bobina 14 en el conjunto de empuje de reacción 64 . La interacción de la Fuerza de Lorentz produce las tres fuerzas 4 , 43 y 44en el plano de la placa de soporte estructural 20 , cuyas fuerzas suman vectorialmente una Fuerza de Lorentz lateral unidireccional neta paralela al plano del conjunto 64 de empuje de reacción .[0039] El mejor modo de la presente invención se ilustra en vista en perspectiva enHIGO. 10 , que es una combinación de las realizaciones deHIGO. 8 yHIGO. 9 . Una bobina conductora circular 14 , que consta de una o más vueltas de cable conductor aislado que transporta una corriente, está cubierta en tres segmentos separados con material de protección magnética 16 , la bobina 14 y las pantallas magnéticas 16 forman un conjunto de empuje de reacción 64 . Seis bobinas de activación de campo 15 que tienen núcleos de alta permeabilidad magnética se colocan simétricamente en pares de bobinas de Helmholtz, con uno de cada par radialmente dentro y otro radialmente fuera de la bobina 14 , alrededor de la circunferencia y centrados en los segmentos sin blindaje de la bobina 14 del conjunto de empuje de reacción., con ejes de simetría de cada par orientados a lo largo de radiales desde el eje de simetría de la placa de soporte estructural 20 . Tres bobinas de activación de campo electromagnético 15 adicionales que tienen núcleos de alta permeabilidad magnética están posicionadas circunferencialmente sobre el centro de los segmentos sin blindaje de la bobina 14 , con los ejes de simetría de cada una de estas bobinas de activación de campo 15 siendo perpendiculares al plano del conjunto de empuje de reacción 64 . Todos los componentes están unidos rígidamente a la placa de soporte estructural 20 en la geometría que se muestra cuando se energizan con corrientes de forma apropiada desde la unidad de suministro de energía 77 , como se ilustró anteriormente enHIGO. 7 yHIGO. 9 , las bobinas de activación de campo 15 producen otros campos magnéticos verticales y horizontales que interactúan con la corriente en los segmentos no blindados de la bobina 14 en el conjunto de empuje de reacción para producir fuerzas de Lorentz laterales y axiales unidireccionales netas tanto paralelas como perpendiculares a la placa de soporte estructural 20 , así como un par unidireccional paralelo al plano de la placa de soporte estructural 20 . Esta realización tiene traslación de 3 ejes y rotación de 3 ejes completamente acoplados sin la necesidad de toberas cardánicas o de propulsores de control de actitud dedicados, lo que resulta en un avance significativo en la tecnología de propulsión.[0040] Se desarrolló un código de análisis de ingeniería para diseñar y predecir el desempeño de la realización deHIGO. 7 . El siguiente gráfico ilustra la precisión del modelo de diseño de ingeniería en la predicción de la variación radial de la intensidad del campo magnético axial para campos blindados y no blindados perpendiculares al eje de simetría de un disco magnético de neodimio-cobalto.[0041] Luego, el modelo analítico se utilizó para diseñar y calcular el rendimiento de dos configuraciones de la realización deHIGO. 7 , un diseño operando a una corriente de 1 amperio y el otro diseño operando a 2 amperios. El diámetro del conjunto de empuje de reacción en ambas configuraciones fue de 12″. Ambas configuraciones fueron diseñadas para operar nominalmente a 100 vatios de potencia de entrada.[0042] Para la configuración de 1 amperio, la bobina 14 del conjunto de empuje de reacciónestaba compuesto por 1024 vueltas de alambre de cobre #21 AWG de 0.0285″ de diámetro con una resistencia lineal de 12.8 Ω por 1000 pies. Las bobinas de activación de campo estaban compuestas por 1024 vueltas de alambre de cobre #21 AWG de 0,0285″ de diámetro enrolladas en un núcleo de metal de 1″ de diámetro que tenía una permeabilidad magnética de 2,0, dicha bobina enrollada tenía 16 vueltas axiales y 64 vueltas radiales. Seis bobinas de activación de campo estaban espaciadas uniformemente circunferencialmente a intervalos de 60 grados. Los conjuntos de protección magnética comprendían tres capas de protección magnética MuMetal con una reducción del campo medido del 50 % para cada capa, lo que producía una eficacia de protección total del 87,5 %. Se aplicaron corrientes de 1 amperio en todos los conductores. Cada bobina de activación de campo produjo 0,593 newtons de empuje para un sistema combinado de empuje de 3,56 newtons a 99,6 vatios. El consumo de energía del sistema calculado fue de 27,98 vatios/newton.TABLA 1 Dispositivo Empuje (mN) Potencia (kW) kW/N Efecto Biefeld-Brown 50 0.035-0.046 0.701-0.910 NASA Emdrive-2014 0.091 0.017 186 NASA Emdrive-2015 0.050 0.050 1000 NASA Emdrive-2017 0.048-0.096 0.040-0.080 833 Unidad de Fetta-Cannae 0.008-0.010 0.0105 1.05-1.31 Woodward (2016) 0.007 0.100 14,286 Ladouceur 30 0.357 11.9 Dispositivo actual (1 amperio)* 3560 0.0996 0.028 Dispositivo actual (2 amperios)* 6040 0.100 0.017 *Cálculos específicos de diseño de ingeniería [0043] Para la configuración de 2 amperios, la bobina 14 del conjunto de empuje de reacciónestaba compuesto por 500 vueltas de alambre de cobre #18 AWG de 0.0403″ de diámetro con una resistencia lineal de 6.385 Ω por 1000 pies. Las bobinas de activación de campo estaban compuestas por 500 vueltas de alambre de cobre #18 AWG de 0,0403″ de diámetro enrolladas en un núcleo de metal de 2″ de diámetro que tenía una permeabilidad magnética de 2,0, dicha bobina enrollada tenía 20 vueltas axiales y 25 vueltas radiales. Seis bobinas de activación de campo estaban espaciadas uniformemente circunferencialmente a intervalos de 60 grados. Conjuntos de escudos magnéticos compuestos por tres capas de escudo magnético MuMetal con una reducción del campo medido del 50 % para cada capa, lo que produce una efectividad total del escudo del 87,5 %. Se aplicaron corrientes de 2 amperios en todos los conductores. Cada bobina de activación de campo produjo 1,006 newtons de empuje para un sistema combinado de empuje de 6,04 newtons a 100 vatios. El consumo de energía del sistema calculado fue de 16. 56 vatios/newton. Estos valores de diseño también se producen en la Tabla 1 para compararlos con los resultados experimentales de varios dispositivos de propulsión sin propulsor.[0044] Debido a consideraciones de obviedad, ciertos elementos de reivindicación no se presentan en detalle en la Especificación. Por ejemplo, el uso de motores paso a paso para variar los ángulos de orientación de la bobina de activación de campo, el uso de dos conjuntos de empuje de reacción concéntricos de diferentes diámetros para sujetar un arreglo circunferencial de bobinas de activación de campo, encerrando partes de las bobinas de activación de campo en escudos de campo magnético, y el uso de materiales exóticos de protección contra campos magnéticos son variaciones de la presente invención que resultarán evidentes para los expertos en sistemas de propulsión de naves espaciales que diseñen según los requisitos de misiones específicas. Debe entenderse que, aunque en la descripción anterior se han establecido numerosas características y ventajas de la presente invención, junto con detalles de la estructura y función de la invención,
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Reclamaciones (15)
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1 . Un sistema de propulsión de campo electromagnético que comprende:
una placa de soporte estructural plana que tiene la forma plana de un círculo, óvalo, triángulo u otro polígono de n lados y compuesta de cualquier combinación de materiales livianos no magnéticos del grupo de: aluminio, titanio, plástico de alto impacto, fibra de vidrio , y compuestos de fibra de carbono, con el fin de mantener geometrías de componentes específicas;
al menos un conjunto de empuje de reacción que comprende uno o más conductores de corriente eléctrica aislados enrollados a la manera de un solenoide de núcleo de aire y unidos circunferencialmente a la placa de soporte estructural;
al menos dos bobinas de activación de campo de solenoide electromagnético unidas a la placa de soporte estructural, comprendiendo cada bobina de activación de campo conductores de corriente eléctrica aislados enrollados en núcleos que tienen una permeabilidad magnética relativa de al menos 2, para la función de generar campos magnéticos dirigidos sobre segmentos de un empuje de reacción asamblea;
una pluralidad de conjuntos de escudo de campo magnético para la función de atenuar campos magnéticos dirigidos a segmentos protegidos designados de un conjunto de empuje de reacción;
una unidad de suministro de energía adosada a la placa de soporte estructural con el fin de suministrar corriente eléctrica a las bobinas de activación de campo y a los conductores del conjunto de empuje de reacción, estando dicha unidad compuesta por cualquier combinación del grupo: acumuladores, pilas de combustible, paneles solares, generadores térmicos radioisotópicos y sistemas generadores de electricidad nuclear;
mediante el cual se construye un aparato único que produce una fuerza de Lorentz unidireccional neta en el sistema de propulsión del campo electromagnético, donde dicha fuerza resulta de corrientes aplicadas en bobinas de activación de campo que generan campos magnéticos que interactúan con corrientes aplicadas en un conjunto de empuje de reacción, y además donde el momento de reacción es llevado por los campos del vector de Poynting produciendo así empuje en el sistema sin expulsar el propulsor.
2 . Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que dichos conductores de corriente tanto de dicho ensamblaje de empuje de reacción como de dichas bobinas de activación de campo están compuestos por cualquier combinación de lo siguiente: alambre de aluminio aislado, alambre de cobre aislado, alambre de plata aislado, alambre de oro aislado, fibra de carbono aislada, alambre multi -Nanotubos de carbono con paredes, tiras de grafeno aisladas, fibras de grafeno aisladas, hilo de grafeno aislado y alambre de grafeno aislado.
3 . Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que dichos núcleos de alta permeabilidad magnética de dichas bobinas de activación de campo están compuestos por uno o más materiales de alta permeabilidad magnética relativa del grupo: acero inoxidable recocido ferrítico, acero eléctrico, hierro (Fe) puro al 99,8 %, permalloy, cobalto -material de tira de hierro de alta permeabilidad, Mu-metal, Nanoperm, 99,95% de hierro (Fe) puro recocido en hidrógeno y Metglass.
4 . El sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que pares de bobinas de activación de campo se colocan geométricamente en configuraciones de bobina de Helmholtz que agrupan radialmente secciones sin blindaje de un conjunto de empuje de reacción para maximizar el campo magnético en cada sección sin blindaje.
5 . El aparato del sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que dos conjuntos de empuje de reacción coplanares que tienen diferentes diámetros pero con un eje de simetría común están unidos a la placa de soporte estructural de tal manera que los elementos sin blindaje de cada conjunto de empuje de reacción están en extremos opuestos de las bobinas de activación de campo, por lo que cada bobina de activación de campo dirige un campo magnético en ambos conjuntos de empuje de la bobina de reacción.
6 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que cada bobina de activación de campo está unida a un motor paso a paso para variar la posición geométrica y la orientación angular de dicha bobina de activación de campo con respecto a la placa de soporte estructural girando dicha bobina de activación de campo alrededor de un eje en el plano de la placa de soporte estructural.
7 . Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que secciones de dichas bobinas de activación de campo están encerradas dentro de conjuntos de protección de campo magnético.
8 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que los conjuntos de protección contra campos magnéticos están compuestos por una o más capas de materiales de protección contra campos magnéticos comunes seleccionados del grupo que consta de hierro, cobre, plata, oro y acero eléctrico.
9 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en donde los conjuntos de protección de campo magnético están compuestos por una o más capas de materiales pasivos de tecnología avanzada diseñados específicamente para atenuar los campos magnéticos incidentes, seleccionados del grupo que consiste en: MuMetal, GIRON y Permalloy.
10 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que los conjuntos de pantalla de campo magnético están compuestos por una o más capas de materiales superconductores seleccionados del grupo de dichos materiales que presentan el efecto Meissner.
11 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que los conjuntos de escudo de campo magnético están compuestos por una o más capas de metamaterial diseñado específicamente para exhibir una inversión del signo de permeabilidad magnética relativa a ciertas frecuencias de campos magnéticos incidentes.
12 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que las corrientes de modulación desde la unidad de suministro de energía a los conductores de corriente en las bobinas de activación de campo durante el funcionamiento del dispositivo generan campos magnéticos de forma variable en el tiempo de polaridad, intensidad y duración deseadas desde cada una de dichas bobinas controlando así la magnitud de la distribución de la fuerza de reacción en el conjunto de empuje de reacción.
13 _ Un sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , en el que la modulación de las corrientes desde la unidad de suministro de energía a los conductores de corriente en dicho conjunto de bobina de empuje de reacción durante el funcionamiento del dispositivo controla la magnitud de la distribución de la fuerza de reacción en el conjunto de empuje de reacción.
14 _ El sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , aplicando corrientes desde la unidad de suministro de energía a los conductores de corriente en el conjunto de empuje de reacción, y aplicando corrientes diferenciales desde la unidad de suministro de energía a bobinas de activación de campo diametralmente opuestas configuradas con ejes perpendiculares al plano del conjunto de empuje de reacción y posicionadas sobre el plano del conjunto de empuje de reacción, por debajo del plano del conjunto de empuje de reacción, o tanto por encima como por debajo del plano del conjunto de empuje de reacción genera una fuerza neta unidireccional en el sistema de propulsión de la nave espacial electromagnética paralela al plano del conjunto de empuje de reacción.
15 _ El sistema de propulsión de campo electromagnético segúnreclamo 1 , mediante el cual la aplicación de corrientes al conjunto de empuje de reacción y la aplicación de corrientes diferenciales en bobinas de activación de campo diametralmente opuestas genera un par unidireccional neto en el sistema de propulsión electromagnético de la nave espacial paralelo al plano del conjunto de empuje de reacción.
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