svpone

Представьте цилиндрическую ракету с магнитным полем, которое направлено как спицы в колесе — от центра к краям (радиальное поле).
В чём сложность?
1. Поле слабеет с расстоянием. Оно сильное у поверхности ракеты и быстро ослабевает по мере удаления.
2. Направление поля всё время разное. Частица летит, а вектор магнитного поля постоянно поворачивается относительно её скорости.
Что происходит с частицей, которая летит прямо в торец ракеты?
· На неё действует сила Лоренца, которая всегда толкает её в сторону.
· Так как поле слабое и меняется, эта сила не может резко и сильно отклонить частицу.
· Вместо чёткого отражения частица плавно изгибает свою траекторию, описывая очень широкую дугу (гораздо шире самой ракеты).
К чему это приводит?
· Задняя часть ракеты (хвост с двигателем) остаётся практически незащищённой. Частицы не "отражаются" от невидимой магнитной стены, а лишь немного "оголяются" от её центральной оси.
· Концентрация частиц прямо за ракетой уменьшается, но ненамного. Этого недостаточно, чтобы освободить хвост ракеты для прохождения радиоволн.
Есть ли решение?
· Теоретически, можно попытаться создать радиальное магнитное поле не вокруг всей ракеты, а только с одного бока (например, сектором). Это может помочь направить частицы в сторону и лучше защитить тыл.
· Однако такая система сложная и, как правило, проигрывает обычному плоскому магнитному щиту, установленному вдоль ракеты. Плоский щит создаёт чёткую и сильную магнитную "преграду" именно там, где это нужно больше всего.

Немного уточнений:
Часть 2.Про радиальное магнитное поле. Представьте себе в 2D:
· У нас есть кольцо, лежащее на плоскости.
· По его ободу равномерно распределены заряды (кулоновские силы обеспечивают это равномерное распределение).
· Каждая из этих заряженных точек создаёт вокруг себя электрическое поле, которое расходится во все стороны и слабеет с расстоянием.
Почему поле радиальное?
Если мы сложим(векторно) поля от всех точек этого кольца в любой точке снаружи от него, то из-за идеально круглой симметрии и равномерного распределения зарядов все боковые (не радиальные) компоненты полей взаимно уничтожатся. В результате результирующая сила поля будет направлена строго от центра кольца (если заряды положительные), то есть будет радиальной.
Теперь перейдём в 3D:
· Наше 2D-кольцо превращается в 3D-цилиндр (или очень длинную трубу).
· Поле вокруг него уже не будет сферически симметричным (как у точечного заряда в центре). Оно будет иметь осевую симметрию, то есть будет симметричным только вокруг оси цилиндра. Напряжённость поля будет не только радиальной, но и направленной вдоль этой оси. Для магнита все тоже самое, только с напряжённостью магнитного поля.
Часть 3. Продольная длина ракеты должна быть меньше радиуса кривизны R, т. е. l < R. Пусть радиус кривизны r1 > r2, где r1 — с массой иона, r2 — с массой электрона (радиус кривизны прямо пропорционален массе), учитывая первое условие, получим l < r2 < r1, откуда следует, что B надо подбирать такое, чтобы выполнялось условие l < r2, аналогично D < r2, т. е. подбор вести при массе электрона.
В случае неоднородности поля вдоль нормали к поверхности магнита (ракеты) минимальное значение радиуса кривизны r3 (т. к. обратно пропорциональна B) частицы будет приобретать вблизи магнита (т. к. B вблизи магнита максимально), то при таких условиях тоже должно выполняться l < r3.
Общий вывод: нужно вести расчет при массе электрона (минимальной массы) и вблизи магнита.

1. Условия задачи:
Представим, что ракета летит с относительно большой постоянной скоростью V и создаёт вокруг себя однородное магнитное поле B, перпендикулярное её движению. Навстречу ей летит поток заряженных частиц. Наша цель — понять, как поле B защитит хвост ракеты от этих частиц.
2. Взгляд изнутри ракеты (инерциальная система отсчёта):
Так как ракета движется с постоянной скоростью, внутри неё все законы физики работают так же, как если бы она стояла на месте. Для наблюдателя внутри ракеты:
а. Магнитное поле неподвижно.
б. Частицы летят на него со скоростью V.
в. На каждую частицу действует сила Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно скорости частицы, поэтому она не совершает работы (не меняет энергию частицы), а лишь искривляет её траекторию, заставляя двигаться по окружности.
Радиус R этой окружности обратно пропорционален величине поля B: чем слабее поле, тем больше радиус.
3. Траектория частицы относительно Земли:
Движение частицы состоит из двух частей:
а. Её круговое движение вокруг центра своей траектории.
б. Движение самого этого центра вместе с ракетой.
Сложение этих двух движений даёт сложную кривую, похожую на циклоиду (как колесо, катящееся по прямой). Если частица влетает прямо в торец ракеты, её траектория относительно ракеты будет представлять собой полуокружность, после которой она вылетает обратно в воздух.
4. Главная цель защиты и как её достичь:
Задача — не просто отклонить частицы, а не дать им пролететь насквозь всю длину ракеты и ударить в её двигатель (хвост). Нужно, чтобы частицы вылетали назад в воздух, не долетев до конца ракеты.
Этого можно добиться, подобрав правильную силу магнитного поля B:
а. Если поле слишком сильное (B большое → радиус R маленький), частицы будут делать маленькие петли и могут успеть совершить полный оборот, прежде чем долетят до конца, и вернуться назад к началу ракеты, что нежелательно.
б. Если поле достаточно слабое (B маленькое → радиус R большой), траектория частицы будет представлять собой большую плавную дугу. Частица не успеет завершить даже половины оборота и будет выброшена полем назад в воздух, так и не долетев до защищаемого хвоста.
5. Критерий для расчёта защиты:
Чтобы обеспечить такую защиту, нужно, чтобы радиус кривизны R траектории частиц был больше продольного l и поперечного размера ракеты D (l < R, D < R).
При этом в самой задней части хвоста ракеты образуется небольшая «зона защиты» (закрытая область), куда частицы, движущиеся с боков, попасть не могут. Размер этой безопасной зоны зависит от соотношения l и R.
Итог: для защиты движущейся ракеты слабым однородным полем нужно рассчитать поле так, чтобы радиус отклонения частиц (R) был больше длины l и ширины ракеты D, т. е. l < R, D < R. Это гарантирует, что частицы будут вылетать за борт, не достигая критически важных зон на хвосте.

Немного теории:
1). При гиперзвуковой скорости идёт ионизация воздуха из-за столкновения начала ракеты об воздух. Ракета выдает энергию молекулам воздуха из-за своей скорости, те в свою очередь ионизируются, образуя ионы (положительно заряженные заряды) и электроны (отрицательно заряженные заряды). Сила Лоренца действует на движущуюся заряженную частицу со стороны магнита (магнитной индукции B), меняя направления перпендикулярно скорости этой частицы, т. е. меняет направление, но не меняет скорости v. При этом движется по окружности с определенным радиусом R. Всё выше написанное имеет место при любом виде относительного движения (не имеет разницы, движется магнит или частица относительно неподвижной системы отсчёта).
2). Если ракета движется по произвольной траектории, то образуется радиус кривизны. Из-за изменения направления скорости ракеты в пространстве появляется нормальное (центростремительное) ускорение, откуда в свою очередь появляется радиус кривизны. Скорость при таком случае перпендикулярна радиусу кривизны. Т. е. касательно траектории. Так как ракета в виде жёсткого стержня, то движение заряженных частиц будет идти вдоль ракеты по любой траектории.
Предположение:
1. Если по всему корпусу ракеты обтекает постоянный магнит, то заряженная частица, попадая вдоль ракеты, будет отклоняться от первоначального движения в сторону, что позволит сзади ракеты установить приемник (передатчик) радиоволн из-за открытой области, «очищенной» от ионизации воздуха.
2. Максимальное отклонение вдоль ракеты будет не превышать радиус кривизны R заряженной частицы, т. к. частица попадает вдоль ракеты (из-за силы Лоренца в начале движения центр окружности будет находиться вдоль линии перпендикулярно вектору скорости частицы и касательно к корпусу).
Советы:
1. Нужно учитывать диаметр ракеты, чтобы за это время движения по диаметру заряженная частица не попала на приемник (передатчик) радиоволн.
2. За диаметр ракеты расчеты не имеют смысла, т. к. это неактивная область (безусловно, отклонение будет происходить).
3. Ионизация происходит вблизи ракеты, и известно, что магнитная индукция убывает с расстоянием, то нужно величину магнитной индукции подбирать и в соответствии с этим.