Содержание
Отечественные спутники смогут летать без топлива. Разработчики считают, что новый ионный двигатель позволит России монополизировать «низкий космос»
Орбитальным космическим аппаратам двигатели нужны для компенсации торможения, которое возникает из-за наличия остаточной атмосферы Земли. Без устройства, поддерживающего аппараты на заданной высоте, спутники бы снижались и в итоге сгорали в плотных слоях атмосферы. Кроме того, с помощью двигателей можно изменить направление движения, траекторию и скорость.
Обычно в качестве таких устройств используют ионные двигатели. Они работают за счет разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу. Сложность в том, что рабочий газ, система его хранения и подачи имеют значительную массу, а также рано или поздно он заканчивается, — тогда и срок службы спутника подходит к концу. Инженеры из российской компании «Экипо» придумали оригинальный метод решения проблемы.
Созданный ими ионный двигатель принадлежит к так называемому открытому типу. «Такому двигателю не нужно дополнительное топливо, то есть рабочий газ. Ионная ловушка открытого типа обеспечивает работу двигателя за счет использования остатков атмосферы в низком космосе. Она создает электромагнитное поле, которое обеспечивает зажигание плазмы, в которой ионизуются атмосферные газы. Получающиеся при этом ионы могут быть эффективно захвачены электромагнитным полем. Проведенные нами эксперименты показали устойчивое горение плазмы даже в условиях глубокого вакуума», — рассказал руководитель проекта Вячеслав Темкин.
Низкий космос сейчас мало освоен из-за того, что космические аппараты сложно удержать на орбитах высотой ниже 300 км. Например, чтобы спутник пробыл на орбите высотой около 200 км один год, требуется масса топлива, сравнимая с массой самого спутника. То есть масса аппарата перед запуском практически удваивается, и запуск становится значительно дороже. А когда топливо будет израсходовано, спутник перестанет работать.
По этой причине, например, все спутники системы Starlink Илона Маска планируется использовать на высотах существенно больше 300 км.
«С нашим ионным двигателем можно уверенно удерживать спутник на высоте ниже 200 км длительное время без топлива. На таких высотах существенно возрастают возможности для обеспечения эффективной связи, навигации и дистанционного зондирования Земли по сравнению с большими высотами, допустим, 300–500 км. На данных высотах в отличие от больших отсутствует космический мусор», — заявил Вячеслав Темкин.
Это обстоятельство практически исключает гибель спутника из-за столкновения с каким-либо объектом. Аппарат с таким двигателем можно использовать на орбите до те пор, пока его элементы не перестанут функционировать технически.
По словам руководителя проекта, благодаря разработке Россия может занять лидирующую позицию в низком космосе.
«Мы сможем обеспечить покрытие устойчивой связью территории Крайнего Севера, обеспечить навигацией Севморпуть, развивать интернет, телевидение и другое.
В низком космосе будут решены многие актуальные для экономики России и геополитики задачи. Небольшие габариты и низкая масса спутника позволяют существенно сократить затраты на его запуск», — заявил Вячеслав Темкин.
Сейчас разработчики создали лабораторный макет двигателя. Его проверили в условиях, моделирующих открытый космос, — в вакууме разной степени. По словам авторов проекта, устройство работает стабильно и эффективно и готово к реальным испытаниям.
Что за двигатель без топлива создали в Ухане? | Наука | Общество
Дмитрий Писаренко
Примерное время чтения: 2 минуты
4102
Категория:
Открытия
Физики из ставшего знаменитым на весь мир китайского города Уханя продемонстрировали прототип двигателя, который создаёт реактивную струю прямо из воздуха, работая за счёт одного лишь электричества.
Иначе говоря, он не нуждается в сжигании топлива. В чём тут дело?
Реактивные двигатели, установленные на самолётах и ракетах, сжигают топливо и выбрасывают его мощной струёй, импульс которой и толкает аппарат вперёд. Эта сила называется реактивной тягой. Учёные из Института технологических наук Уханьского университета показали, что можно обходиться и без топлива. Разработанное ими устройство использует для создания тяги струю плазмы, полученной непосредственно из воздуха.
Плазма является четвёртым состоянием вещества (помимо твёрдого, жидкого и газообразного), она состоит из заряженных частиц (ионов) и существует, например, на поверхности Солнца. Физики давно научились создавать плазму искусственно, но метод, предложенный китайцами, отличается от других. Их система нагнетает и сжимает воздух с помощью мощного компрессора, после чего воздух ионизируется микроволнами. Заряженные частицы плазмы ускоряются электрическим полем и создают реактивную струю.
Таким образом, реактивная тяга возникает прямо из воздуха, а вместо топлива используется электрическая энергия.
Пока это лишь прототип устройства, но результаты показывают практическую возможность создания экологически чистого и бесшумного двигателя для самолётов.
«Главная мотивация для нас — помочь в решении проблемы глобального потепления, — говорит профессор Уханьского университета Джау Танг. — Негативные явления в окружающей среде возникают из-за того, что люди используют двигатели внутреннего сгорания на ископаемом топливе. В нашей конструкции нет необходимости в ископаемом топливе, а значит, нет выбросов углекислого газа, которые приводят к глобальному потеплению. Результаты наших исследований показали, что реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может стать жизнеспособной альтернативой традиционному реактивному двигателю на ископаемом топливе».
Ионные двигатели существуют давно (их концепция была предложена более 100 лет назад) и не раз устанавливались на космические аппараты как завершённых, так и ещё действующих миссий.
Но они имеют существенный недостаток: очень маленькую тягу. Поэтому для полётов в атмосфере не годятся. Однако команда китайских исследователей утверждает, что их устройство этого недостатка будет лишено. Изготовленный ими прототип смог поднять в воздух стальной шар весом в 1 кг над кварцевой трубкой диаметром 24 мм. Учёные уверяют, что если масштабировать их устройство до размеров реальных установок, то создаваемая прототипом тяга будет сравнима с показателями обычных реактивных двигателей.
Сейчас учёные работают над повышением эффективности своего двигателя.
электричествоАвиадвигательУханькитайские ученые
Следующий материал
Новости СМИ2
Этот космический двигатель, финансируемый НАСА, не требует топлива
Испытательный стенд для безтопливного космического двигателя Джеймса Вударда на эффекте Маха.
Джеймс Вудард
Большинство космических кораблей сжигают ракетное топливо для взлета, маневрирования и — в случае SpaceX — приземления.
Но что, если бы вы могли питать космический корабль полностью электричеством?
По сути, у вас будет бестопливный двигатель.
Это именно тот двигатель с эффектом Маха, который Джеймс Вудворд, почетный профессор физики в Фуллертоне, и несколько его коллег изобрели с помощью гранта NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Привод зависит от физики, описанной в теории относительности Эйнштейна через австрийского физика Эрнста Маха, показывает отличные перспективы в ранних испытаниях и сейчас находится на втором этапе испытаний.
Это практически святой Грааль космонавтики, потому что, как говорит Вудворд, этот двигатель может обеспечивать не только локальные путешествия в нашей Солнечной системе, но и межзвездные путешествия.
Как это работает?
По сути, привод Вудворда делает стопку пьезоэлектрических кристаллов то тяжелее, то легче, подавая на них электрический ток. Это не магия, и он не использует исцеляющие кристаллы Нью Эйдж; пьезоэлектрические кристаллы расширяются и сжимаются под действием электричества, а это значит, что они взаимодействуют с тем, что, по словам Эйнштейна, является универсальными инерционными полями во Вселенной, вызванными гравитацией.
Если вы можете сделать что-то тяжелее в одно мгновение и легче в следующее, вы можете использовать тот же ньютоновский принцип «каждая реакция вызывает равномерную и противоположную реакцию» ракетных двигателей, который существенно отбрасывает материю позади себя, чтобы двигаться вперед. — для создания тяги.
Очевидно, это известный эффект, основанный на «проверенной экспертами, технически достоверной физике».
БОЛЬШЕ ДЛЯ ВАС
Абсолютно важная и удивительная часть заключается в том, что вы не теряете свои кристаллы безвозвратно, фактически выбрасывая их. Вы толкаете их, когда они тяжелые, тянете их назад, когда они легкие, и усредняете свой импульс, чтобы двигаться вперед.
«Если теперь у вас есть механическое колебание с двойной частотой, вы можете надавить на него, когда оно станет более массивным, и потянуть его назад, когда оно станет менее массивным», — сказал мне Вудворд. «У вас есть импульс, но вам не нужно бросать его и прощаться. Вы можете отбросить его, когда он станет более массивным, а затем из-за этого взаимодействия с этим инерционным гравитационным полем вы можете позволить ему стать менее массивным, а затем втянуть его обратно».
Вудворд считает, что каждый небольшой привод с эффектом Маха может генерировать около ста миллиньютон силы. Учитывая, что среднее яблоко, лежащее на вашем столе, оказывает на стол силу около одного ньютона только из-за земного притяжения, вам понадобится их много для питания космического корабля.
Особенно, если он уже не в космосе, в условиях невесомости.
В настоящее время двигатели с эффектом Маха представляют собой шестисантиметровые кубы: кубы чуть больше двух дюймов с каждой стороны. Вудворд говорит, что сделав их более эффективными, вы получите больше мощности от каждого из них. И вы можете складывать столько из них, сколько хотите, внутри, на и вокруг вашего космического корабля.
Тогда речь идет о том, сколько электричества вы можете произвести на своем корабле для питания двигателей.
Послушайте мое интервью с Вудвордом в подкасте TechFirst :
«Если эти приблизительные расчеты верны в 100 миллиньютонах или около того, хорошо, вы говорите о… десять ньютонов на киловатт, — сказал мне Вудворд.
«Десять ньютонов на киловатт приближаются к тяжелой подъемной силе… вам не нужна химическая ракета, чтобы вывести эти штуки на орбиту, если вы заставите их работать очень хорошо. Вы можете просто залезть внутрь… и включить эту штуку.
Что сделает двигатель с эффектом Маха совершенным электромобилем, способным перевезти вас в любую точку планеты или Солнечной системы… и даже за ее пределы. Питание двигателей и обеспечение электричеством: вероятно, атомная электростанция.
Футуристично, конечно.
Первые приложения, по словам Вудворда, будут в спутниках. В настоящее время спутники используют химические ракеты для поддержания орбиты и выравнивания; двигатели, работающие на электричестве, могли бы значительно продлить срок их полезной службы и не требовали бы огромного количества энергии или масштабирования. Солнечные батареи обеспечат все необходимое топливо.
Однако все это зависит от экспертной оценки и повторения результатов Вудворда, что в первую очередь касается самого последнего гранта НАСА.
Различные ученые и инженеры по всей Северной Америке будут тестировать и, надеюсь, независимо проверять результаты Вудворда, в том числе Мишель Бройлс, Джордж Хэтэуэй из Hathaway Research в Онтарио, Канада, ученый, работающий по контракту с НАСА, и Майк Макдональд, аэрокосмический инженер из США. Лаборатория военно-морских исследований.
Джеймс Вудворд, почетный профессор Фуллертона и изобретатель космического двигателя с эффектом Маха.
Джеймс Вудворд
Только когда результаты Вудворда будут независимо подтверждены несколькими исследователями, учеными и инженерами, НАСА узнает, финансирует ли оно потенциального победителя или многообещающую, но в конечном итоге тупиковую технологию.
Вудворд, которому 79 лет и он пережил рак с рецидивом лимфомы Ходжкина, был немного сбит с толку, когда я попросил его запланировать на несколько лет вперед, предполагая, что его «штуковина», как он ее называет, работает.
Я спросил его: куда бы вы отправились с работающим космическим кораблем Эффекта Маха?
— Знаешь, я особо об этом не думал, — ответил он.
«Очевидный ответ — внимательно изучить внешнюю Солнечную систему, потому что это сделало бы путешествие за пределы Солнечной системы относительно простым и не таким уж дорогим, знаете ли. Это было бы очевидным местом.
И, по словам Вудворда, при условии адекватного тестирования полет к относительно близкому красному карлику Проксиме Центавра был бы замечательным.
«Это красный карлик, и у него есть планета в обитаемой зоне, на которую, возможно, стоит взглянуть», — говорит Вудворд.
Вудворд работал над двигателем на эффекте Маха большую часть своей жизни, по сути, вдохновленный наблюдением в 1967 году спутника, который, как он думал, движется по странной орбите, и профессором физики в Нью-Йоркском университете, который сказал ему, что если он захочет быть лучшим в мире экспертом в чем-то, выбрать действительно сложную проблему и быть готовым работать над ней годами.
Но он не приписывает себе все эти усилия.
«И я хотел бы сказать вам, что это было великолепие, гениальность и все такое прочее, но это не так», — говорит он.
— Это было просто глупо, черт возьми.
Это будет невероятная удача, а также некоторая гениальность и упорное упорство, если другие смогут воспроизвести его экспериментальные результаты и увеличить их до размеров, пригодных для спутников и кораблей. Это большой шанс — тестер Майк Макдональд дает ему шанс от 1 из 10 до 1 из 10 миллионов (и до верхней границы этого спектра) — но это шанс.
И даже за выстрел в темноте, который может привести к функциональному космическому приводу, стоит бороться.
Получите полную стенограмму нашего разговора.
Подписывайтесь на меня в Twitter или LinkedIn. Посетите мой веб-сайт или другие мои работы здесь.
Новый способ запуска ракет без топлива? | Космос
Обычные химические ракеты, такие как будущая система космического запуска НАСА, используют топливо для получения энергии.
Но что, если бы им больше не требовалось топливо, и вместо этого они могли бы использовать квантованную инерцию для тяги? Концепция радикальной теории, которая в настоящее время финансируется DARPA. Изображение через Боинг. Ракеты
— это мощные машины, которые могут запускать спутники на орбиту и отправлять космические корабли к дальним пределам Солнечной системы. Однако у них есть свои пределы; обычные химические ракеты дороги в использовании из-за необходимого им топлива. А что если ракеты больше не нужно топливо для движения? Удивительная теория квантованной инерции (КИ) предлагает именно такой сценарий. Концепция относительно проста. Вам просто нужно преобразовать излучение Унру — теоретическую форму квантовых частиц — в тягу. На этой неделе (17 сентября 2018 г.) Университет Плимута в Великобритании объявил, что один из его исследователей получил финансирование от правительства США для изучения этой идеи.
Спорное, но интересное предложение исходит от физика Майка Маккаллоха.
Впервые он предложил эту идею еще в 2007 году, но теперь Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) — агентство Министерства обороны США — вмешивается, выделяя 1,3 миллиона долларов на четырехлетнее исследование концепции. Исследование финансируется в рамках программы DARPA Nascent Light-Matter Interactions, заявленная цель которой — улучшить фундаментальное понимание того, как контролировать взаимодействие света и искусственных материалов.
В заявлении МакКаллока из Университета Плимута говорится, что если бы удалось разработать двигатель нового типа, требующий только электроэнергии, это могло бы сделать ракеты дешевле и безопаснее в использовании.
Физик Майк Маккалох из Университета Плимута в Великобритании получил грант от правительства США на исследование метода движения QI. Изображение из Университета Плимута.
В этой работе Маккалок будет сотрудничать с учеными-экспериментаторами из Дрезденского технического университета в Германии и Университета Алькала в Испании.
Первым важным шагом является разработка полностью прогнозирующей теоретической модели того, как материя взаимодействует с излучением Унру, с использованием квантованной модели инерции. Это предоставит ученым новый инструмент для предсказания взаимодействий света и материи. По словам МакКаллоха:
В конечном счете, это может означать, что вам не понадобится топливо для запуска спутника. Но это также означало бы, что вам нужен только источник электроэнергии, например, солнечная энергия, чтобы перемещать любой корабль, когда он находится в космосе. У него есть потенциал, чтобы сделать межпланетные путешествия намного проще и межзвездные путешествия.
Двигатель EMDrive. EMDrive — это еще одна концепция бестопливного двигателя, но это закрытая система, безреактивный двигатель, без взаимодействия между «щитом» и внешними частицами, такими как излучение Унру. В статье 2016 года Майка МакКоллуха показано, как можно протестировать QI на EMDrive. С тех пор многие ученые пришли к выводу, что EMDrive невозможен, поскольку он, казалось бы, нарушает закон сохранения импульса и третий закон Ньютона.
Изображение предоставлено SPR Ltd./www.emdrive.com.
Так что же такое QI? По сути, он предсказывает, что объекты могут толкаться вперед за счет различий в интенсивности излучения Унру в космосе, подобно тому, как корабль может быть подтолкнут к причалу, потому что со стороны моря на него падает больше волн. Если объект был достаточно ускорен — например, вращающийся диск или даже свет, отражающийся между зеркалами — тогда волны Унру, с которыми он сталкивается, могут быть затронуты щитом. Это означает, что если над объектом разместить демпфер, то теоретически он должен создавать восходящую тягу. Макколлуч считает, что это может произвести революцию во многих различных видах транспорта и двигателей на Земле, а не только в ракетах:
Я считаю, что QI может изменить правила игры в космической науке. Я всегда думал, что его можно использовать для преобразования света в тягу, но он также предлагает способы усилить эту тягу. Очень интересно, что теперь у меня есть возможность протестировать его.
Кстати, у КИ есть приложения и в чистой науке. Он использовался для предсказания вращения галактик без участия темной материи.
Идея QI является частью более масштабного проекта по исследованию новых методов движения для возможных будущих космических путешествий. В 2010 году НАСА объявило о проекте 100-летнего звездолета с намерением захватить:
… несколько поколений, чтобы посвятить себя исследованиям и разработке революционных технологий для достижения конечной цели межзвездных космических путешествий.
В 2011 году DARPA совместно с НАСА выступило спонсором 100-летнего симпозиума звездолетов, на котором были представлены презентации по технологиям, биологии, физике, философии, социологии и экономике межзвездных полетов.
В 2016 году Маккалок опубликовал статью о том, как можно протестировать QI на EMDrive. Эта идея вызвала свою долю критики, но теперь новое финансирование DARPA позволит ученым исследовать ее дальше.
Еще одна радикальная концепция футуристического звездолета НАСА, который также будет использовать концепцию бестопливного двигателя — «варп-двигатель» — для путешествия по Солнечной системе и даже к ближайшим звездам. Изображение предоставлено Марком Радемейкером/Flickr.
Итог: ракеты дороги, и, поскольку они несут на борту большое количество топлива, они также опасны. Новая концепция с квантованной инерцией — также известная как QI — может произвести революцию в запуске спутников на орбиту, отправке космических кораблей в дальний космос и даже в транспорте здесь, на Земле… если это сработает.
Узнайте больше от McCullouch: Physics from the Edge
Через Университет Плимута
Пол Скотт Андерсон
Просмотр статей
Об авторе:
Пол Скотт Андерсон страстно увлекался исследованием космоса, когда он был ребенком, когда смотрел «Космос» Карла Сагана. В школе он был известен своей страстью к исследованию космоса и астрономии.