ПРИЛОЖЕНИЕ С

ПАТЕНТЫ HAARP:
дополнительный патент US-5038664

: абстракт : : иллюстрации : : описание : : раскрытие изобретения : : лучшие варианты осуществления изобретения : : формула изобретения :

 

Настоящая публикация является сокращенным переводом патента US-5038664, дополняющего и развивающего базовый патент US-4686605 семейства «патентов HAARP».

Перевод c английского © Janto.

Оригинал патента здесь: US-5038664

 

МЕТОД СОЗДАНИЯ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ВЫСОТНОЙ ОБОЛОЧКИ ИЗ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ.

• Изобретатель: Bernard J. Eastlund
• Заявитель и патентообладатель: APTI Inc. (US)
• Приоритет: 10.01.1985
• Классы МКИ: F41B 15/00
• 7 пунктов патентной формулы
• 3 иллюстрации

 

Метод создания области плазмы с высокой энергией и плотностью на высоте минимум 1500 км над поверхностью Земли. Электромагнитное излучение с круговой поляризацией и первой частотой постоянно направляется вдоль силовой линии магнитного поля Земли для возбуждения электронно-циклотронного резонансного нагрева естественной плазмы на высоте порядка 250 км и создания силы отражения для подъема данной плазмы на высоту минимум 1500 км. Нагрев продолжается на второй частоте для расширения данной плазмы до области апекса названной магнитной силовой линии, где по крайней мере часть этой плазмы станет захваченной и будет осциллировать между точками отражения данной магнитной линии. Плазма будет захватываться соседними магнитными силовыми линиями и таким образом размываться, формируя над частью земной поверхности оболочку из релятивистских частиц.

 

Фиг.1 - упрощенное схематическое изображение Земли и магнитных силовых линий, вдоль которых реализуется изобретение.

Фиг.2 - упрощенное представление физических феноменов, вовлеченных в изобретение.

Фиг.3 - упрощенный вид на оболочку из плазмы высокой интенсивности в соответствии с изобретением.

 

Примечание. Для просмотра иллюстраций в большем масштабе см. оригинал по ссылке в заголовке.

 

1. Техническая область.

Настоящее изобретение относится к методу модифицирования заданной области плазмы, естественным образом существующей на постоянной высоте над поверхностью Земли, более конкретно относится к методу создания захваченной магнитным полем оболочки из плазмы высокой плотности, содержащей релятивистские частицы.

 

2. Уровень техники.

 

Данная часть описания уровня техники содержит сведения об открытии естественных поясов частиц, захваченных магнитным полем Земли, физических эффектах, лежащих в их основе формирования данных поясов, способах искуственного создания областей захваченных частиц, в т.ч. с использованием электронно-циклотронного резонансного нагрева и краткие сведения о последнем. Она полностью повторяет аналогичную часть базового патента US-4686605, поэтому соответствующий перевод здесь опускается.

 

Известно, что интенсивный сфокусированный луч заряженных или нейтральных частиц (в частности, плазменный луч) может быть носителем потенциально деструктивной энергии и способен при определенных условиях прожечь отверстие в металле или представлять опасность даже для хорошо экранированных электронных цепей. Уже прорабатываются проекты возможного использования таких лучей в оборонительных целях для защиты от наступательных ракетных вооружений противника, см. Particle-Beam Weapons, J.Parmentola and K.Tsipis, Scientific American, April, 1979, Vol.240, No.4, включено здесь в качестве ссылочного материала.

Такие проекты предусматривают установку ускорителя заряженных частиц на спутнике, находящемся на земной орбите на высоте около 1000 км, который, в случае активации, ускоряет атомные и субатомные заряженные частицы и направляет их единым потоком на заданную цель. Типовой ускоритель состоит из источника заряженных частиц, устройства инжекции этих частиц в ускоритель и цепочки ускоряющих секций. Каждая частица, соударяющаяся с целью, передает ее материалу часть своей энергии. При достаточно большом количестве частиц они нагревают цель за достаточно короткое время и отданная ими энергия может стать достаточной для того, чтобы прожечь отверстие в оболочке цели, вызвать детонацию химического взрывателя боеголовки или вывести из строя электронику (например, систему самонаведения) средства доставки боезаряда. Однако в этих проектах для создания требуемого луча заряженных частиц ускоритель должен размещаться на орбите и при этом должен быть точно позиционирован для поражения заданной цели.

 

Настоящее изобретение представляет собой метод создания высотной области плазмы высокой энергии и высокой плотности (в частности, электронной плотности) на заданной высоте, в частности, на высоте 1500 км, над земной поверхностью. Плазма, естественным образом существующая на меньших высотах, например, на высоте 250 км, возбуждается первым электронно-циклотронным резонансным нагревом с целью увеличения энергии ее заряженных частиц. Это осуществляется путем передачи электромагнитного излучения круговой поляризации из точки (или ее окрестности), в которой естественные дипольные магнитные силовые линии пересекают земную пверхность. Данное излучение передается преимущественно параллельно и вдоль магнитной силовой линии, простирающейся вверх через область или области плазмы, подлежащие модифицированию. Излучение передается на первой частоте, базирующейся на гирочастоте названной низкой области, например, в диапазоне от 1000 до 3600 кГц. Будучи приложенным к названной области данное излучение возбуждает в ней электронно-циклотронный резонанс, нагревая заряженные частицы и разгоняя их по их спиральным траекториям вокруг и вдоль названной магнитной силовой линии. Соответствующий рост энергии вызывает ионизацию нейтральных частиц, которые становятся частью данной области, повышая тем самым плотность ее заряженных частиц.

Первый электронно-циклотронный резонансный нагрев проводится на энергетическом уровне, достаточном для создания в плазме силы отражения, перемещающей заряженные электроны модифицируемой плазмы вдоль магнитной силовой линии в названную высотную область. Далее создается второе электромагнитное излучение с круговой поляризацией и второй частотой (например, в диапазоне от 20 до 1800 кГц), возбуждающее второй электронно-циклотронный резонансный нагрев плазмы в названной высотной области, обеспечивающий дальнейшую ионизацию данной плазмы. Нагрев продолжается до тех пор, пока плазма не расширится до области апекса названной силовой линии расходящегося магнитного поля и в этот момент по крайней мере часть названной плазмы будет захвачена данными силовыми линиями и начнет осциллировать между их точками отражения. По мере того, как энергия второго электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы будет поглощаться захваченными электронами, точки отражения, созданные в плазме, будут подниматься с их начальных позиций в низших областях в высотную область, и в этой области начнет накапливаться энергия второго электромагнитного излучения. Далее захваченные частицы, осциллирующие между земными полушариями, будут стохастически подогреваться, поскольку они периодически будут проходить через область разогрева, которой является названная высотная область. Названный стохастический нагрев будет продолжаться до тех пор, пока энергия электронов не достигнет значений в диапазоне примерно от 2 мэВ до 5 мэВ, при которых электроны становятся релятивистскими и вследствие их высокой скорости начинает расти их масса. В результате плотность, она же концентрация электронов, плазмы повышается до значений 10^9/см^3.

Плазма будет локализоваться между соседними магнитными силовыми линиями и будет формировать оболочку из релятивистских частиц по мере их естественного размывания (дрейфа) вокруг Земли. Сформированная таким образом оболочка может использоваться в качестве противоракетного экрана. Высокоэнергичные релятивистские частицы оболочки будут сталкиваться с проходящими через нее ракетами, отдавая им свою энергию, тем самым уничтожая их или выводя их из строя.

 

 

Данная часть описания содержит краткие сведения о магнитном поле Земли, составе и свойствах ионосферной и магнитосферной плазмы, циклотронной частоте ее заряженных частиц и характере их движения вдоль естественных магнитных силовых линий между точками отражения, а также базовые сведения об электронно-циклотронном резонансном нагреве плазмы с помощью электромагнитного излучения. Она целиком и полностью повторяет аналогичные сведения, приведенные в базовом патенте US-4686605, поэтому соответствующий перевод здесь опускается.

 

Обратимся теперь к рисункам, иллюстрирующим, согласно данному изобретению, метод модифицирования высотной области плазмы, присутствующей вдоль магнитной силовой линии, проходящей через ионосферу и магнитосферу. На фиг.1. упрощенно изображена Земля 10 и одна из ее дипольных магнитных силовых линий 11. Очевидно, что линия 11 может быть одной из множества естественных магнитных силовых линий и актуальные географические координаты 13 и 14 линии 11 могут выбираться, исходя из конкретных практических задач. Актуальные координаты, в которых магнитные силовые линии пересекают земную поверхность, задокументированы и доступны специалистам.

Линия 11 проходит через область R1, расположенную, например, на высоте минимум 250 км над поверхнростью Земли. Как объяснялось выше, плазма присутствует в области R1 вдоль линии 11 и представлена спиральной линией 12. Плазма 12 содержит заряженные частицы (электроны и ионы), движущиеся вдоль и вокруг линии 11 по противоположным спиральным траекториям.

Антенна 15 располагается как можно ближе к точке в позиции 14, в которой линия 11 пересекает земную поверхность. Антенна 15 может быть любой известной конструкции, обеспечивающей высокую направленность, например, фазированная решетка с углом раскрыва луча типа θ, см. The «MST Radar at Pocket Flat, Alaska», Radio Science, том 15, номер 2, март-апрель 1989 г., стр. 213-223. Антенна 15 подключена к передатчику 16, который генерирует электромагнитную энергию высокой частоты в широком диапазоне дискретных значений, например, от 20 до 7200 кГц.

Передатчик 16 питается от генератора 17, который в предпочтительном варианте представляет собой один или несколько промышленных электрогенераторов. (далее следует описание возможных вариантов генераторов, полностью повторяющее описание, приведенное в головном патенте US-4686605, поэтому соответствующий перевод здесь опускается - прим. перев.)

На фиг.1 показан первый этап настоящего изобретения, на котором выбранная область R1 плазмы 12 модифицируется путем электронно-циклотронного резонансного нагрева для ускорения электронов плазмы 12, двигающихся по спиральным траекториям вдоль линии 11. Для достижения данного результата антенной 15 преимущественно параллельно и вдоль силовой линии 11 излучается электромагнитная энергия в виде волны 20 с круговой поляризацией (правой в северном полушарии и левой - в южном полушарии). Волна 20 имеет частоту, при которой возбуждается электронно-циклотронный резонанс в плазме 12 на ее начальной высоте. Эта частота (примерно от 20 до 7200 кГц) зависит от частоты электронно-циклотронного резонанса в области R1 или ее гармоники, которые, в свою очередь, определяются высотой области R1, конкретной магнитной силовой линией 11, напряженностью магнитного поля и пр. Кроме того, в зависимости от конкретного применения, есть пороговый уровень энергии, при котором обеспечивается достижение нужного результата. Данный уровень является функцией от требуемого количества производства плазмы и ее движения с учетом потерь, которые могут иметь место в самой плазме и на пути ее распространения.

 

Далее приводятся соотношения для кинетической энергии частиц поднимающейся плазмы и описание кинетики процессов. Это описание целиком повторяет описание, приведенное в головном патенте US-4686605, поэтому соответствующий перевод здесь опускается. Кроме того, на основе представленных соотношений показано, что если в область R1, находящуюся на высоте 250 км, направить поток энергии величиной от 0,1 до 1 вт/см^2, то будет создана плазма плотностью (Ne) порядка 10^9/см^3 и энергией ионов порядка 3 эВ, которая будет поднята на высоту около 1500 км.

 

Фиг.2 отражает идеализированную картину движения вверх в расходящемся магнитном поле плазмы 12, возбужденной электронно-циклотронным резонансом. Электроны (e) разгоняются до скоростей, необходимых для создания сил отражения, передвигающих их вверх. В это же время нейтральные частицы (n) области R1 ионизируются и становятся частью плазмы 12. При движении вверх вдоль линии 11 электроны (e) увлекают за собой ионы, но под углом около 13° к линии 11. Ионы, в свою очередь, сталкиваясь с нейтральным частицами n, также увлекают их за собой. Таким образом, любые частицы, присутствующие в области R1, будут увлечены вверх вместе с плазмой. По мере того, как частицы плазмы 12 поднимаются вверх, другие нейтральные частицы области R1 и нижних областей движутся им на замену. Эти нейтральные частицы при определенных условиях могут увлекать за собой заряженные частицы из смежных областей.

Обратимся теперь к фиг.1 и фиг.3, на которых плазма 12 с плотностью 10^9/см^3 и ионной энергией 3 эВ формируется в области R2 путем нагрева плазмы 12 в области R1 и поднятия ее вверх вдоль силовой линии 11 (например, вдоль линии магнитного поля Земли L4) в область R4, лежащую на высоте около 1500 км. Для подъема необходимого количества плазмы в соответствии с настоящим изобретением требуется приложить к области R1 суммарную энергию электронно-циклотронного резонансного нагрева порядка 10^15 дж.

После того, как плазма 12 поднимется в область R2, начинается передача в данную область второго электромагнитного излучения со второй частотой, например, 1,0 МГц, которое продолжает возбуждать электронно-циклотронный резонансный нагрев плазмы 12 в области R2. Это излучение, имеющее вторую, отличную от первой, частоту, может быть создано как путем изменения частоты исходного излучения, использовавшегося для нагрева области R1, так и с помощью отдельного источника. За счет последующего возбуждения электронов до энергии порядка 10 эВ плазма 12 будет расширяться вдоль линии 11 до точки ее апекса C. Когда это произойдет, определенная часть плазмы 12 будет захвачена вдоль линии 11 и начнет осциллировать между точками отражения Mb. За счет продолжения электронно-циклотронного резонансного нагрева частиц в высотной области R2 точки отражения захваченных частиц модифицируемой плазмы 12 поднимаются с их первоначальных позиций Ma в области R1 в позиции Mb в области R2. Осциллирование частиц создает возможность их дополнительного стохастического нагрева, свойственного захваченным осциллирующим частицам, см. «A New Mechanism for Accelerating Electrons in the Outer Ionocphere» by R.A.Helliwell and T.F.Bell, Journal of Geophisical Research, vol.65, No.6, June 1960, включено здесь в качетве ссылочного материала. Продолжающееся возбуждение электронно-циклотронного резонансного нагрева в области R2 вкупе со стохастическим нагревом, имеющим место вследствие осциллирования плазмы вдоль линии 11, возбуждает электроны до энергий порядка от 2 до 5 мэВ, тем самым делая их релятивистскими (т.е. частицами, масса которых растет вследствие их высокой скорости). Такой комбинированный эффект нагрева аналогичен нагреву в установке Elmo Bumpy Torus (EBT). Поскольку плазма осциллирует вдоль линии 11 между точками отражения Mb, очевидно, что она располагается между расходящимися линиями поля 11a и 11b (фиг.3), которые находятся поблизости от линии 11.

Частицы, захваченные магнитным полем Земли, будут естественным образом мигрировать или «дрейфовать» латерально (вбок) вокруг земного шара по соответствующим магнитным оболочкам (например, L4), существующим для каждой конкретной широты земного шара. Плазма 12 будет дрейфовать до тех пор, пока в области R2 не образуется оболочка, имеющая ширину w. Суммарная энергия, необходимая для создания оболочки 20 с шириной области R2 около 100 км и плотностью частиц порядка 10^9/см^3 и энергией частиц порядка 6 мэВ, равна приблизительно 10^19 дж.

Будучи сформированной, названная оболочка 20 создает противоракетный экран из релятивистских электронов, вызывающий детонацию или выводящий из строя электронные системы ракет, проходящих через него. Как показано на фиг.3, межконтинентальные баллистические ракеты (МБР), запускаемые по траектории, обозначенной пунктирной линией 25, должны будут проходить через оболочку 20 дважды на пути к цели X - один раз при подъеме и один раз при возврате в атмосферу.

Когда ракета проходит через оболочку 20, высокоэнергичные (например, с энергией 6 мэВ) частицы плазмы 12 бомбардируют ее. Каждая частица при этом теряет энергию, главным образом за счет передачи ее другим электронами при упругих соударениях, формируя каскад электронов, оставляющих направление движения частиц в значительной степени невозмущенным. Энергия потерь в конечном счете выделяется в виде тепла, повышающего температуру материала ракеты в месте бомбардировки его частицами. При (указаной выше) плотности и энергетическом уровне плазмы 12 оболочки 20 скорость накопления энергии в материале ракеты будет выше скорости ее рассеяния и вследствие термического воздействия материал будет плавиться или разрушаться. Результирующим повреждением при этом может являться прожигание топливного бака ракеты, повреждение ее электронных систем или детонация химического взрывателя ее боеголовки, для чего требуется энергия воздействия на материал порядка 200 дж/см^3.

Как видно из изложенного, создание плотной плазменной оболочки 20 из релятивистских частиц может обеспечить эффективную защиту от наступательных ракетных вооружений.

 

 

 

 

1. Метод создания области плазмы на высоте по крайней мере 1500 км над земной поверхностью, включающий:

- создание по крайней мере одного источника электромагнитного излучения с круговой поляризацией имеющего первую частоту в диапазоне от 1800 до 3600 кГц;

- передачу названного электромагнитного излучения с названной земной поверхности преимущественно параллельно и вдоль одной из естественных расходящихся магнитных силовых линий и фокусирование ее таким образом, чтобы обеспечить на высоте минимум 250 км поток электромагнитной энергии приблизительно от 0,1 до 1 вт/см^3;

- настройку первой частоты названного электромагнитного излучения на значение, которое вызывает электронно-циклотронный резонанс в плазме, обычно существующей вблизи данной магнитной силовой линии на высоте по крайней мере 250 км, в результате чего названный резонанс вызывает нагрев и дальнейшую ионизацию названной плазмы, формируя плазму с энергией ионов минимум 3 эВ;

- продолжение возбуждения названного электронно-циклотронного резонанса в течение интервала времени от 0,1 до 1200 секунд, достаточного для того, чтобы вызвать движение плазмы вдоль расходящихся магнитных силовых линий из области на названной высоте в область, находящуюся на высоте минимум 1500 км;

- создание электромагнитного излучения со второй частотой, находящейся в диапазоне приблизительно от 20 до 1800 кГц и отличной от первой частоты, которое возбудит следующий электронно-циклотронный резонанс в названной плазме после ее подъема в названную область для дальнейшего нагрева и ионизации плазмы названной области и подъема ее точек отражения;

- продолжение возбуждения названного второго электронно-циклотронного резонанса в названной плазме для создания в ней релятивистских электронов с энергией не менее 20 мэВ.

 

2. Метод по п.1, в котором возбуждение названного первого электронно-циклотронного резонанса продолжается в течение времени в пределах 1200 секунд, достаточного для расширения названной плазмы вверх вдоль названных расходящихся магнитных силовых линий до апекса названной силовой линии и для захвата тем самым по крайней мере части названной плазмы, чтобы вызвать ее осциллирование между токами отражения названной магнитной линии и последующий стохастический нагрев.

 

3. Метод по п.2, в котором названный второй электронно-циклотронный резонанс продолжает возбуждаться до тех пор, пока электронная плотность названной захваченной плазмы не достигнет значения 10^9/см^3.

 

4. Метод по п.2, в котором энергия релятивистских электронов в названной захваченной плазме равна минимум 2 мэВ.

 

5. Метод по п.4, в котором названный первый электронно-циклотронный резонанс поддерживается до тех пор, пока не образуется оболочка из релятивистских электронов, формируемая за счет естественного дрейфа названных электронов вокруг земного шара.

 

6. Метод по п.5, в котором ширина названной оболочки равна минимум 100 км.

 

7. Метод по п.6 в котором названная оболочка создается в качестве противоракетного экрана.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 28.09.2018 Последнее изменение - нет

© Janto 2018 Все права защищены