Наука 21 век » Инерционные двигатели проходят испытания в космосе. Инерционные двигатели в космосе

Инерционные двигатели проходят испытания в космосе

Инерционные двигатели проходят испытания в космосе На космическом аппарате "Юбилейный" приступили к тестированию двигателей "на новых физических принципах". Об этом сообщает газета "Время новостей", интервью которой дал заместитель генерального директора Государственного космического научно-производственного центра имени М.В. Хруничева, директор и научный руководитель Научно- исследовательского института космических систем имени А.А. Максимова, генерал-майор Валерий Меньшиков.

Инерционные двигатели проходят испытания в космосе

Так, Меньшиков сообщил, что на спутнике установлено сразу несколько совершенно новых двигателей, среди которых водяной (принцип работы которого не уточняется) и инерционный. Наибольший интерес, по мнению генерал-майора представляет именно инерционный двигатель, поскольку он может пригодиться при создании "наноспутников" - массу нового двигателя можно снизить до нескольких граммов. Новое устройство получило название "гравицапа".

В основе этого устройства лежат "принципы безопорного движения", противоречащие законам классической механики, в частности, закону сохранения импульса. Перемещение подобного устройства осуществляется в результате неравномерного вращения твердого тела при полном отсутствии контакта с окружающей средой. Меньшиков подчеркивает, что "подобный двигатель уже прошел испытания на Земле".

Кроме этого генерал-майор отверг обвинения в том, что на создание работающего прототипа были потрачены значительные бюджетные средства. "Все наши исследования мы выполняли, можно сказать, на общественных началах. Экспериментальные установки делали энтузиасты своими руками. Можно сейчас вновь посчитать стоимость истраченных на эксперименты киловатт-часов, полос железа и электромоторчиков. Сумма невелика и взята из прибыли, полученной нами от выполнения основной работы," - заявил Меньшиков газете.

Также он пожаловался на то, что встречает "оголтелый отпор людей, не желающих дерзать" и пожаловался на недостаток финансирования. Кроме этого он отметил, что разработками инерционных двигателей интересуются в США и многих других странах, однако добавил, что "надо работать в своей стране".

Представители РАН, в частности, комиссии по борьбе с лженаукой, организованной Виталием Гинзбургом, неоднократно критиковали разработку инерциоидов и инерционных двигателей. Однако, мнение комиссии носит рекомендательный характер, поэтому разработка подобных проектов продолжается.

по информации lenta.ru

nauka21vek.ru

Инерционные двигатели проходят испытания в космосе >> Блог >> aj на HomeGate.ru

На космическом аппарате "Юбилейный" приступили к тестированию двигателей "на новых физических принципах". Об этом сообщает газета "Время новостей", интервью которой дал заместитель генерального директора Государственного космического научно-производственного центра имени М.В. Хруничева, директор и научный руководитель Научно- исследовательского института космических систем имени А.А. Максимова, генерал-майор Валерий Меньшиков.

aj.homegate.ru

Инерционный плазменный двигатель - Trend Club

Каков он идеальный ракетный двигатель? Он без реактивной струи, он вообще без отбрасывания массы, да это возможно и он будет работать. Мало того он уже существует и практически у каждого из вас есть заводные игрушки, дергаешь за веревочку, моторчик внутри заводится, игрушка вибрирует и перемещается. И никаких вам колес, ног и реактивных струй не нужно. Это называется инерционный двигатель. Но, то что написано про инерционный двигатель в википедии меня просто убило на повал:

Инерцио́ид, инерцо́ид, инерционный движитель (ошибочное название «инерционный двигатель») — это механизм, аппарат, устройство, якобы способные приходить в поступательное движение в пространстве (или по поверхности) без взаимодействия с окружающей средой, а лишь за счет перемещения рабочего тела, находящегося внутри. Возможность создания такого движителя отрицается современной физикой как противоречие закону сохранения импульса. Авторы же инерцоидов утверждают, что для создания движения используются некие «новые» (неизвестные общепризнанной физике) свойства взаимодействующих инерционных масс и гравитационных полей. Критики, не отрицая возможность чего-то подобного как такового, настаивают на том, что эти эффекты, если и существуют, должны быть на много порядков слабее, чем нужно для их обнаружения и использования в устройствах наподобие предлагаемых авторами.

И так уважаемые читатели мы уже с вами выяснили что устройство, якобы способные приходить в поступательное движение в пространстве (или по поверхности) без взаимодействия с окружающей средой, а лишь за счет перемещения рабочего тела, находящегося внутри существует уже давным давно, и возможность создания такого движителя не отрицается современной физикой как противоречие закону сохранения импульса.

Но зачем же нам этот странный инерционный двигатель в космосе? Да запустим мы его в невесомости, но сильно не разгонишься с таким двигателем, ведь если мы будем использовать твердое вибрирующие рабочие тело, то мы ограничимся всего несколькими м\с, при этом затраты энергии будут большими. Зато такой инерционный двигатель отлично подойдет для корректировки орбиты, спутников, различных зондов, для перемещения по другим планетам.

Но при таком подходе можно использовать иное рабочие тело, к примеру, плазму. Суть заключается в том что берем обычный плазменный двигатель, но сопло закрываем корпусом, большим широким длинным корпусом. Плазма вырываясь из сопла будет создавать реактивную тягу, за счет чего и будет лететь ракета, но позади плазма будет остывать, и когда она остынет до 1 тысячи градусов, ее импульс очень сильно упадет, и уже вялый холодный газ будет ударятся об плазменный мешок, собираться и доставляться по трубам обратно к двигателю где холодный газ опять будет нагреваться и вылетать из сопла. Главным условием работы такого двигателя является то, что импульс плазмы выходящей из сопла должен быть в разы больше импульса газа, который достигает и ударяется об стенки плазменного мешка, для лучшего уменьшения импульса можно будет использовать адсорбционные материалы. Кинетическая энергия газа при ударах об адсорбционные материалы будет превращаться в тепловую, а тепло будет рассеиваться в космос в виде излучения. Получается, что двигатель не нарушает законов физики, он просто отбрасывает в космос не материю, а энергию. В то время как современные двигатели отбрасывает и материю и энергию. Вот такая она эволюция. Если вы все еще сомневаетесь в реальности подобной конструкции, то вспомните паровую турбину. Там используется такой же принцип, только вместо ракеты там лопасти, вместо плазмы вода, вместо плазменного охлаждающего мешка, простой банальный холодильник. Такой космический двигатель может работать не ограничено долго, пока работает ядерный реактор, ведь рабочие тело не когда не закончится, можно будет набирать скорость хоть 50 лет, и можно будет достичь скоростей более чем сейчас движутся галактики, более тысячи км\с.

А вот он сам инерционный двигатель в действии, но пока без плазмы:

http://www.youtube.com/watch?v=IrJ79rZKTp4

trendclub.ru

Лазерные двигатели - прорыв в области космических полетов

Лазерные двигатели — прорыв в области космических полетов. Лазерным двигателем называют разновидность двигателя на лучевой тяге, где источником энергии является лазерная система (обычно – наземного базирования), отделенная от массы, вступающей в реакцию. Эта разновидность двигателей отличается от традиционных ракетных двигателей на химическом топливе, где и источником энергии, и вступающей в реакцию массой является твердое или жидкое топливо, размещенное на борту корабля.

Основы концепции, скрытые в идее фотонного двигателя в виде «паруса», были разработаны Эйгеном Зенгером и венгерским физиком Георгом Марксом. Концепция двигателя, использовавшего ракеты с лазерной подпиткой, были развиты Артуром Кантровитцем и Вольфгангом Мёкелем в 1970-х годах. Изложение идей Кантровитца о лазерном двигателе было опубликовано в 1988 году.

Системы лазерных двигателей могут передавать импульс космическому кораблю двумя разными способами. Первый подразумевает использование давления фотонов для передачи импульса по принципу солнечных парусов, в том числе – работающих под давлением лазерного излучения. Второй метод использует лазер для того, чтобы помочь кораблю избавиться от массы, подобно обычной ракете. Этот метод предлагают куда чаще, но у него присутствует фундаментальное ограничение в виде конечной скорости полета корабля, связанной с формулой Циолковского.

Солнечные паруса для перемещения под давлением излучения лазера

Солнечные паруса для перемещения под давлением излучения лазера являются образцами двигателей на лучевой тяге.

Солнечный парус для движения под давлением лазера

Солнечный парус в космосе

Солнечный парус для движения под давлением лазера – это парус, напоминающий солнечный, сделанный из тонкой ткани с отражательной способностью. В отличие от солнечного, он движется, скорее, за счет давления лазерного луча, чем солнечного света. Преимущество двигателей с применением солнечных парусов подобного типа состоит в том, что кораблю не нужно нести на борту какой бы то ни было источник энергии или вступающую в реакцию массу, из чего следует, что ограничений формулы Циолковского, связанных с набором высокой скорости, удается избежать. Использование парусов для движения под давлением лазера было впервые предложено Георгом Марксом в 1966 года в качестве метода для межзвездных путешествий, позволяющих избежать крайне высокого относительного расхода топлива. Идея была тщательно проанализирована физиком Робертом Форвардом в 1989 году. Дальнейший анализ концепции был выполнен Джеффри Лэндисом, Юджином Маловым и Норманном Матлоффым, Даной Эндрюс и другими.

Солнечный парус

Луч должен иметь достаточно большой диаметр, так как только некоторые частицы пройдут мимо паруса из-за дифракции, а лазер или антенна, принимающая микроволны, должна иметь достаточную устойчивость ориентации, так как корабль может достаточно быстро наклонять парус, чтобы следовать за центром луча. Это играет куда более важную роль, когда речь заходит о путешествии к другим планетам и звездам, полете по касательной, приземлении и возвращении. Лазер также может быть крупной фазированной решеткой для малых устройств, получающих энергию напрямую из солнечных лучей.

Солнечный парус для движения под давлением лазера был предложен в качестве двигателя для малого межзвездного корабля в рамках проекта «Breakthrough Project».

Солнечный парус для движения с использованием лазера и рециркуляции фотонов

Физики Метцгар и Лэндис предложили модификацию солнечного паруса, где фотоны будут отражаться от паруса и повторно использоваться, отражаясь обратно на парус посредством стационарного зеркала. Она получила название «Лазерный парус многократного отражения». Это увеличивает силу, производимую рециркуляцией фотонов, приводя к многократному росту силы излучения при той же мощности. Также существует конфигурация паруса с использованием многократно рециркулирующих фотонов, где применяется ступенчатая линза, установленная вокруг генератора лазера. Там лазер освещает парус корабля, увеличивая его скорость, затем свет отражается обратно через ступенчатую линзу и поступает на более крупный рефлектор, меняя направление корабля. Свет лазера многократно отражается туда и обратно, позволяя увеличить силу передачи. Линза становится гораздо более стабильной, так как практически исключено влияние импульса лазерного луча.

Лазерный фотонный двигатель малой тяги (ЛФДМТ) – последнее изобретение, развившееся из лазерного паруса многократного отражения, где активный лазер является средством резонанса, необходимого для формирования оптической пустоту между двумя зеркалами. Предполагается, что ЛФДМТ будет способен обеспечить соотношение тяги к мощности, (единица, измеряющая эффективность вспомогательного двигателя по отношению к преобразованной в импульс мощности) приближенное к таким традиционным аналогам, как электрические двигатели малой тяги или двигатели малой тяги с лазерной абляцией.

Концепция лазерных двигателей

Ракеты с лазерной подпиткой

Существует несколько разновидностей лазерных двигателей, где лазер используется, как источник энергии для импульса, необходимого расположенному на борту горючему. Применение лазера в качестве источника энергии означает, что подаваемая энергия не ограничена лишь химической энергией топлива.

Лазерная ракета с двигателем на основе теплообмена

Лазерная ракета с термическим двигателем – подвид ракет с термическим двигателем, где топливо нагревается с помощью энергии, создаваемой извне лазерным лучом. Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает жидкое топливо, превращая его в раскаленный газ, выпускаемый через обычные сопла. Это делает ее похожей на ракету с ядерным или солнечным термическим двигателем. Применение крупногабаритного теплообменника позволяет лазерному лучу светить прямо на него, минуя фокусировку при помощи оптики корабля. Двигатель с теплообменником в работе имеет преимущество, так как может работать одинаково качественно с лазером с любой длиной волны и типом (непрерывным или импульсным), а его КПД приближается к 100 %. Ограничением для данного двигателя является материал теплообменника и потери излучения при относительно низких (1 000 – 2 000 С°). Для данной температуры удельный импульс будет максимально увеличен при минимальной молекулярной массе вещества, вступающего в реакцию, а также – наличии водородного топлива, обеспечивающего достаточный импульс в течение 600-800 секунд, чего вполне достаточно даже для того, чтобы ракета с одной ступенью смогла обогнуть низкую орбиту Земли. Концепция лазерной ракеты с двигателем на основе теплообмена была разработана Джордином Кэром в 1991 году. Микроволновый тепловой двигатель с похожей концепцией был разработан независимо Кевином Паркином из Калифорнийского университета в 2001 году.

Термоядерные двигатели

Вариацию этого проекта предложили профессор Джон Сайнко и доктор Клиффорд Шлехт в качестве резервной системы безопасности для аппаратов на орбите. Баки с ракетным топливом прикреплялись снаружи, и выхлопные сопла работали с каждым из них, не задевая астронавтов или инструменты. Лазерный луч с космической станции или шаттла испарял находящееся в баках топливо. Выхлопные газы выбрасывались позади экипажа или инструмента, притягивая цель ближе к источнику лазерного луча. Для остановки сближения второй лазер с другой длиной волны охлаждает внешнюю обшивку баков с горючим.

Абляционным лазерным двигателем называют разновидность двигателя на лучевой тяге, где внешний импульсный лазер применяется для воспламенения плазменного факела в металлическом топливе и последующего создания тяги. Измеряемый удельный импульс малых АЛД очень велик и доходит до 5 000 с (49 кН*с/кг). В отличие от аппарата с солнечным парусом, разработанного Ликом Майрэбо и использующего воздух в качестве топлива, АЛД можно использовать в космосе.

Лазерные технологии NASA

Вещество путем абляции импульсным лазером удаляется напрямую с твердой или жидкой поверхности. В зависимости от длительности импульса и плотности потока лазера, вещество может быть просто нагрето, испарено или превращено в плазму. Абляционный двигатель будет работать и в воздухе, и в вакууме. Удельный импульс составляет от 200 до нескольких тысяч секунд, что становится возможным за счет верного выбора топлива и характеристик лазера. Среди вариаций этой технологии – лазерный двигатель с двойным импульсом, где один импульсный лазер подвергает абляции вещество, а другой – нагревает до газообразного состояния; лазерный микродвигатель, где малый лазер на борту подвергает абляции очень малое количество топлива, достаточное для маневра и контроля высоты; очиститель от космического мусора, где лазер подвергает абляции частицы космического мусора, находящиеся на низкой околоземной орбите, изменяя их орбиты и вынуждая их снова войти в атмосферу.

Исследовательский центр в области ракетных двигателей при Университете Алабамы в Хантсвилле занимался разработками в области АЛД.

Высокоэнергетический импульс, сфокусированный на газе или твердой поверхности, окруженной газом, приводит к его разложению. Это приводит к расширяющейся ударной волне, поглощающей энергию лазера на фронте ударной волны (происходит т.н. детонационное горение, поддерживаемое лазером или ДГПЛ-волна), после чего следует расширение горячей плазмы за пределы фронта ударной волны и передача импульса кораблю. Импульсный плазменный двигатель, использующий воздух, как рабочую среду, является простейшим примером лазерного двигателя с аэродинамической накачкой. Космический аппарат с солнечным парусом, разработанный Ликом Майрэбо из Политехнического института Ренсселера и установивший мировой рекорд, работает по этому принципу.

Другая концепция импульсного плазменного двигателя была исследована японским профессором Хидэюки Хорисавой.

Лазерные двигатели на инерционном лазерном топливе

Плазменный двигатель с постоянной длиной волны

Непрерывный лазерный луч, сфокусированный на потоке газа, создает стабильный поток плазмы. После этого расширяющийся раскаленный газ выбрасывается через обычные сопла, создавая тягу. Так как плазма не контактирует со стенками двигателя, можно добиться сверхвысоких температур газа, как в случае с газофазным ядерным реактивным двигателем. Однако, для достижения высокого удельного импульса топливо должно обладать малой молекулярной массой. Как правило, в наши дни используется водород, позволяющий добиться удельного импульса в 1 000 секунд. Плазменный двигатель с постоянной длиной волны не лишен недостатков, так как лазерный луч должен быть точно сфокусирован на абсорбционной камере, чего можно добиться либо при использовании дипольных отражателей, либо сопла определенной формы. Эксперименты с этими видами двигателей проводились в 1970-1980-х годах, в основном, доктором Деннисом Кифером из Института Космоса при Университете штата Теннеси и профессором Германом Крайером из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.

Лазерные двигатели в применении

Широкий класс двигателей, где мощность лазерного луча преобразуется в электричество, дающее энергию для работы космическим электродвигателям, называется лазерными электродвигателями.

Небольшой квадрокоптер летал в течение 12 часов 26 минут, заряженный лазером мощностью в 2 250 Вт (менее половины от нормальной рабочей мощности) и используя 170-ватные фотоэлектрические батареи в качестве приемника питания. Также был продемонстрирован лазер для зарядки батарей, за счет которых беспилотный летательный аппарат мог находиться в воздухе 48 часов.

В космонавтике лазерный электродвигатель составляет конкуренцию солнечному или ядерному электродвигателю среди других двигателей малой тяги для полетов в космос. Однако Лик Майрэбо предложил лазерный электродвигатель с большой тягой, применяющий магнитную гидродинамику для преобразования энергии лазера в электричество и последующей электризации воздуха вокруг корабля для создания тяги.

hikosmos.ru

Двигательная установка космического аппарата - Типы двигательных установок

23 января 2011

Оглавление:1. Двигательная установка космического аппарата2. Назначение3. Эффективность4. Типы двигательных установок5. Сравнение двигательных установок

Двигательные установки подразделяются на несколько типов в зависимости от физических принципов, лежащих в их основе.

Реактивные двигатели

Реактивная двигательная установка изменяет скорость космического аппарата за счет отбрасывания рабочего тела. При этом движение аппарата подчиняется закону сохранения импульса и следствиям из него.

Примерами реактивных двигателей могут служить ракетные двигатели, в том числе электрические, двигатели с использованием сжатого газа, а также экзотические варианты на основе электромагнитных ускорителей. На участке выведения космические аппараты могут использовать реактивные двигатели, работающие на атмосферном кислороде.

Химический ракетный двигатель

Испытания двигателя «Кестрел» компании «SpaceX»

Большинство ракетных двигателей является двигателями внутреннего сгорания. Рабочим телом в них является горячий газ, который образуется при реакции горючего с окислителем в камере сгорания. В некоторых случаях в качестве топлива используются один или более двух компонентов. Продукты химической реакции из камеры сгорания попадают в сопло Лаваля, обеспечивающее максимальное преобразование тепловой энергии в кинетическую. Скорость газа на выходе обычно десятикратно превышает скорость звука на уровне моря.

Химические ракетные двигатели являются самыми мощными среди всех видов двигателей космических аппаратов. Они используются в том числе при выводе аппаратов в космос.

Проект ионного ракетного двигателя предполагает разогрев плазмы или ионизированного газа внутри «магнитной бутылки» и выпуск его через «магнитное сопло». При этом плазма не контактирует с частями аппарата. Создание подобного двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, но его принципы уже используются в ядерной физике или проходят апробацию в лабораторных условиях.

Электрический ракетный двигатель

Испытания ионного двигателя

Помимо ускорения рабочего тела за счет газодинамических и гиродинамических сил, возможно использование прямого воздействия на его частицы. Для этого используются электромагнитные силы, а в качестве рабочего тела выбирается, как правило, газ. За счет электрической энергии газ сначала ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем и с высокой скоростью выбрасывается из двигателя.

Возможность создания такого двигателя в 1906 году впервые упомянул Роберт Годдард в своей записной книжке. В 1911 году подобную идею опубликовал Константин Циолковский.

Для электрических ракетных двигателей энергетическая эффективность обратно пропорциональна скорости истечения рабочего тела и создаваемой тяги. Из-за этого при современном развитии энергетики двигательные установки такого типа являются маломощными, но при этом практически не расходуют рабочее тело.

При полётах на относительно близких расстояниях от Солнца энергию для электрических ракетных двигателей можно получать с помощью солнечных батарей. При полетах в дальний космос требуется использовать другой источник энергии, например, ядерную установку.

Возможности энергетической установки являются основным сдерживающим фактором при использовании электрических ракетных двигателей, так как вместе с количеством вырабатываемой энергии растет и масса самой установки, что повышает массу космического аппарата и требуемую тягу для его ускорения.

Существующие ядерные силовые установки примерно в два раза легче солнечных батарей той же мощности при работе в окрестностях земной орбиты. Химические генераторы не используются из-за более короткого времени работы. Одним из перспективных вариантов электропитания космического аппарата является передача энергии в виде луча, но потери на рассеивание в этом случае делают такой способ неподходящим для дальних перелетов.

К электрическим ракетным двигателям относятся:

Ионный двигатель
- Электростатический ионный двигатель
- Электростатический ракетный двигатель
- Двигатель на эффекте Холла
- Коллоидный двигатель
Электротермический двигатель
- Электротермический двигатель на постоянном токе
- Микроволновой электротермический двигатель
- Пульсирующий плазменный двигатель
- Геликоидальный двигатель с двойным слоем плазмы
Электромагнитный двигатель
- Магнетоплазмодиамический двигатель
- Безэлектродный плазменный двигатель
- Пульсирующий индуктивный двигатель
- Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом
Электромагнитный ускоритель

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, что устраняет необходимость нейтрализации потока.

Двигатели без рабочего тела

По данным NASA, размер космического паруса должен быть порядка полукилометра

Закон сохранения импульса устанавливает, что без отбрасывания рабочего тела изменить положение центра масс космического аппарата невозможно. Однако в космосе действуют гравитационные силы, магнитные поля и солнечная радиация. Несколько двигательных установок основаны на их использовании, но из-за распределения этих сил в пространстве, установки имеют большой размер.

Существует несколько двигателей, не требующих или требующих крайне малое количество рабочего тела. К ним относятся тросовые системы,, солнечные паруса, использующие давление света, и магнитные паруса, отражающие солнечный ветер с помощью магнитного поля.

Космический аппарат подчиняется закону сохранения момента импульса, поэтому вместо вращения вокруг центра масс в качестве двигательной установки может быть использована часть этого аппарата, поворачиваемая в противоположную сторону. При этом не требуется расхода рабочего тела, однако на аппарат влияют внешние силы, например, гравитационные или аэродинамические, из-за чего периодически требуется «разгрузка» основной двигательной установки другим способом, например, за счет реактивных двигателей. Реализацией данного принципа являются силовые гироскопы.

Ещё одним способом использования гравитационного поля планеты является инерционный двигатель. Он основан на изменении момента инерции аппарата на различных участках орбиты, однако для получения ощутимого эффекта размеры системы должны быть достаточно большими.

Также для изменения траектории космического аппарата используется гравитационный манёвр. В этом случае для разгона или торможения используется гравитация небесных тел. При использовании ракетного двигателя эффективность гравитационного манёвра можно повысить.

Гипотетические двигатели

Полет через червоточину в представлении художника

Существует несколько гипотетических вариантов двигательных установок космических аппаратов, основанных на новых физических принципах и, возможно, не реализуемые на практике. К настоящему моменту особый интерес вызывают следующие:

Гравитационный двигатель
Гиперпространственный двигатель
Червоточина
Дифференциальный парус
Инерцоид — противоречит Закону сохранения импульса

www.vonovke.ru

Инерционный движитель Википедия

Инерцио́ид, инерцо́ид, инерционный движитель (ошибочное название «инерционный двигатель») — механизм, устройство или же аппарат, якобы способные приходить в поступательное движение в пространстве (или по поверхности) без взаимодействия с окружающей средой, а лишь за счет перемещения рабочего тела, находящегося внутри. Авторы инерциоидов, показывая действующие модели, либо дают некорректное объяснение их работы, основанное на известных законах физики, либо утверждают, что для создания движения используются некие «новые» (неизвестные современной науке) свойства взаимодействующих инерционных масс и гравитационных полей.

Возможность создания такого движителя отрицается современной наукой из-за противоречия закону сохранения импульса. Критики, не отрицая возможности существования неизвестных физических взаимодействий, настаивают на том, что эффекты таких взаимодействий должны быть на много порядков слабее, чем нужно для их обнаружения и использования в устройствах наподобие предлагаемых авторами.

Объяснение парадокса

Согласно закону сохранения импульса mΔv=FΔt{\displaystyle m\Delta v=F\Delta t}, где m{\displaystyle m} — масса грузика с пружиной на инерцоиде, Δv{\displaystyle \Delta v} — приобретаемая им скорость, F{\displaystyle F} — сила для ускорения грузика на пружине, по третьему закону Ньютона, равная силе действия грузика на инерцоид, Δt{\displaystyle \Delta t} — время ускорения грузика на пружине в одном направлении. Если величина импульса mΔv{\displaystyle m\Delta v} равна по абсолютной величине для прямого и обратного направления ускорения грузика, то F{\displaystyle F} тем больше по абсолютной величине, чем Δt{\displaystyle \Delta t} меньше. При ускорении грузика в одну сторону с большим Δt{\displaystyle \Delta t} сила F{\displaystyle F} меньше силы трения покоя, при ускорении грузика в другую сторону сила F{\displaystyle F} больше силы трения покоя и силы трения движения и модель приходит в движение.[1].

История

Впервые термин «инерцоид» придумал инженер В. Н. Толчин в 1930-е годы. «Тележка Толчина» представляет собой платформу на колесах, наверху которой на рычагах перемещаются один или два груза: в одну сторону медленно, а в другую быстрее. Для перемещения грузов используется, например, пружинный механизм от заводных игрушек. Хотя к колёсам никакой силовой передачи нет, такая тележка приходит в неравномерное, но направленное движение. Аналогичный эффект (но с движением в противоположную сторону) наблюдается и при установке инерцоида на плавающую модель.

В середине 1970-х годов тема инерцоидов была весьма популярна: эти механизмы демонстрировались в телепередачах (напр., «Это вы можете»), про них писали популярные молодёжные научно-технические журналы и т. п.

Принцип работы

Физическая модель

Принцип действия инерцоидов заключается в том, что их целенаправленное движение вызывается различием силы трения в опоре при прямом и обратном полутакте работы. При сухом трении сопротивление медленному движению превышает сопротивление быстрому (при одном полутакте, когда прилагается малая сила, сила трения покоя не преодолевается и аппарат остаётся на месте; при обратном полутакте сила трения преодолевается, аппарат движется). В жидкостях наоборот — сопротивление быстрому движению преобладает над сопротивлением медленному движению. Объяснение эффекта в жидкостях принципиально иное (так как в жидкостях и газах нет силы трения покоя) и основано на вязкостных силах трения.

Тем самым отрицается заявленная возможность перемещения без взаимодействия с внешней средой — взаимодействие со средой происходит через трение (это доказывают и эксперименты с инерцоидами на крутильных весах, когда направленное движение не возникает[2]; в вакууме движение инерциоидов, работающих на принципе отбрасывания воздуха, также не происходит).

Объяснение авторов

Авторы инерцоидов категорически не согласны с традиционным объяснением; они утверждают, что трение в осях как раз специально делается как можно меньшим и им можно пренебречь (хотя классическая механика для объяснения эффекта привлекает не силу трения в осях, а силу трения между аппаратом (в сухом случае — колёсами) и поверхностью).

Сами авторы утверждают:

Несмотря на внешнее сходство, вибратор («виброход») и инерцоид – устройства, принципиально отличные друг от друга.

Толчин В. Н. Инерцоид

Г. И. Шипов, большой энтузиаст инерцоидов (впоследствии академик общественной организации РАЕН), для их объяснения использует теорию торсионных полей и якобы разработанное им обобщение механики Ньютона — названное им механикой Декарта («теория физического вакуума»)[3]. Эти методы были раскритикованы научным сообществом[4].

Испытания в космосе

В мае 2008 года был запущен в космос малый космический аппарат «Юбилейный» с инерцоидом на борту. Инициатором доставки в космос инерцоида, прозванного журналистами «гравицапой», был генерал Валерий Меньшиков, директор НИИ космических систем. Эксперименты финансировались в рамках межгосударственной российско-белорусской программы «Космос СГ», где главным исполнителем является также Валерий Меньшиков[5] (однако другие источники утверждают, что, вопреки распространённому мнению, аппаратура не проходила сертификации в Роскосмосе, спутник — студенческий, и, в принципе, любая техника могла принять участие в научной программе спутника[6]). Несмотря на предупреждения учёных о невозможности для такого движителя создать тягу в космосе, поскольку это противоречит одному из фундаментальных физических законов — закону сохранения импульса, его авторы заявляли, что в НИИ КС «движитель без выброса реактивной массы» работал и создавал тягу в 28 грамм. На данный движитель был выдан патент «Роспатентом».

В июне-июле того же года были проведены первые испытания, результаты которых были названы «неоднозначными»[7], а в феврале 2010 начались полномасштабные эксперименты[8][9].

Как и ожидали учёные, выведенный в космос движитель не смог изменить орбиту спутника. Сам принцип работы «двигателя» и деятельность, связанная с его «созданием», не раз обсуждались и критиковались Комиссией РАН по борьбе с лженаукой.[10]. По мнению академика Эдуарда Круглякова, председателя этой комиссии, подобные эксперименты нанесли ощутимый ущерб как бюджету, так и научному престижу России[5][11].

См. также

Ссылки

Литература

Толчин В. Н. Инерцоид, Пермь: Пермское книжное издательство, 1977
Шипов Г. И. Теория физического вакуума, М., 2002
Меньшиков В. А., Дедков В. К. Тайны тяготения — М. НИИ КС. 2007

Примечания

↑ Хазен А. М. О возможном и невозможном в науке, или где границы моделирования интеллекта // М. Наука, 1988. — C.27. — ISBN 5-02-013902-5
↑ Нурбей Гулиа. Алфизики XX века // «Техника – молодежи», № 8, 1986
↑ Шипов Г. И. Теория физического вакуума в популярном изложении Архивная копия от 12 февраля 2010 на Wayback Machine
↑ Е. Л. Тарунин «Почему НЛО?» Архивная копия от 9 марта 2009 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 11-05-2013 [1949 дней]) Копия. // газета «Пермский университет», N4 (1691), апрель 2000, с.4.
↑ 1 2 Кругляков Э. П. Совместимы ли мракобесие и инновации? // Бюллетень «В защиту науки». № 9, с.2—3. (pdf, 253 kb)
↑ Вечный двигатель испытал космос на прочность
↑ Российский «Вечный двигатель» прошел первые испытания в космосе
↑ «Мы не изобретаем вечный двигатель» // «Время новостей», № 18, 4.02.2010.
↑ «Гравицапа» с проблемами // Газета.ru, 22.02.2010
↑ Движитель на чудесах // Lenta.ru
↑ Академик Эдуард Кругляков: «Возобновление испытаний „Гравицапы“ — это пушечный залп по Академии наук»

wikiredia.ru

будущее космонавтики? – Журнал "Все о Космосе"

18:50 27/12/2017

👁 583

Ядерный двигатель Nera Источник: http://nlo-mir.ru/kosmoss/46850-neudavshiesja-kosmicheskie-proekty.html

Первый термоядерный взрыв, прогремевший 1 ноября 1952 года, дал человечеству надежду не только на освоение неисчерпаемого источника энергии, но и на создание принципиально новых ракетных двигателей, способных доставить наши космические корабли к далеким планетам и даже к соседним звездам.

«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели», — сказал Константин Циолковский. Для полетов к Луне или, например, к Марсу достаточно существующих химических ракетных двигателей. Но для того чтобы летать дальше, к внешним планетам Солнечной системы (или даже ближайшим звездам!), и не тратить на это многие годы и десятилетия, нужны двигатели принципиально нового типа. Неудивительно, что еще в конце 1950-х годов возникла идея использовать для двигателей энергию, благодаря которой горят звезды, — энергию термоядерного синтеза.

Немного физики

Любой ракетный двигатель создает тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество, которое называют рабочим телом. Из дюз обычных ракет истекают газообразные продукты сгорания топлива. В электроракетном двигателе рабочим телом служит поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами. В ядерном — водород или гелий, разогретый энергией деления ядер урана или плутония.

Термояд[1]

Сила тяги любого двигателя зависит от скорости, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла. Подняв температуру, можно увеличить энергию (и скорость) молекул. Однако жаропрочные материалы и конструкции имеют свои пределы, к тому же подводимая энергия тоже ограничена. А можно использовать более легкие молекулы, поскольку при одной и той же энергии их скорость будет больше. Ядерные двигатели, которые могут разогревать легкий водород, в этом отношении имеют серьезное преимущество перед химическими, продукты сгорания которых существенно тяжелее.

Помимо собственно тяги, очень важным показателем ракетного двигателя является его удельный импульс (или удельная тяга) — отношение силы тяги к расходу рабочего тела. Эта величина, имеющая размерность м/с, характеризует эффективность двигателя. Теоретически она равна скорости истечения рабочего тела, а на практике может значительно отличаться, поэтому ее называют эффективной (эквивалентной) скоростью истечения. Удельный импульс (в м/с) имеет и другой наглядный физический смысл: численно это время в секундах, в течение которого один килограмм топлива может создавать тягу в 1 Н (или тяга в ньютонах, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма рабочего тела).

Границы дозволенного

В 1897 году Константин Эдуардович Циолковский вывел знаменитую формулу, определяющую максимальную конечную скорость одноступенчатой ракеты: она равна эффективной скорости истечения рабочего тела (удельному импульсу двигателя), помноженной на натуральный логарифм отношения начальной и конечной масс ракеты. Первый множитель определяется типом и конструкцией двигателя, а второй медленно растет даже при большом количестве топлива. Например, для того чтобы разогнать ракету конечной массой 10 т до скорости выше второй космической (11,2 км/с) с помощью обычных современных ракетных двигателей с импульсом 3000 м/с, нужно около 500 т топлива и окислителя.

Даже с учетом технологии многоступенчатых ракет практически невозможно достичь скорости, превышающей удельный импульс более чем в четыре-пять раз. Поэтому с самого начала космических разработок серьезные силы были брошены на увеличение эффективной скорости истечения рабочего тела. Сейчас лучшие ракетные двигатели на химическом топливе (водород-кислородные) лишь приближаются к отметке 4500 м/с, и почти все способы улучшения их характеристик уже исчерпаны. Ядерные ракетные двигатели позволили бы увеличить температуру до десятков тысяч градусов, а скорость истечения — примерно до 20000 м/с, но даже с такими двигателями полет корабля до внешних планет Солнечной системы занял бы годы. А о полетах к звездам и говорить не приходится.

Настоящие звездолеты

Между тем существует способ поднять скорость истечения на многие порядки. Температура плазмы при термоядерном синтезе составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов. Соответственно, теоретический удельный импульс при реакции дейтерия и гелия-3 составляет 21 500 000 м/с, то есть более 7% от скорости света, что потенциально позволяет разогнать межзвездный зонд до 25−30% от скорости света. Конечно, нужно оставить запас топлива на торможение, но и 10−15% световой скорости вполне достаточно для отправки беспилотных аппаратов как минимум к нашим ближайшим соседям — звездной системе Альфа Центавра.

Наиболее реалистичный вариант проекта «Орион». Этот межпланетный корабль рассчитан на старт с орбиты, вывод в космос должен был осуществляться ракетой-носителем Сатурн-V.

Правда, это только в теории. Дело в том, что мощность ракетного двигателя равна половине произведения его тяги (Н) на его удельный импульс (м/с). Мощность, например, двигателя первой ступени ракеты-носителя «Зенит» РД-171 с тягой 806 тс и удельным импульсом 3300 м/с — 13 ГВт (в два раза больше Саяно-Шушенской ГЭС!). Термоядерный двигатель такой же мощности с удельным импульсом в 21 500 000 м/с будет иметь тягу всего 123 кгс, и разгон до сколько-нибудь существенных скоростей займет долгие годы. У этой проблемы может быть два решения. Во‑первых, можно попробовать увеличить мощность двигателя. Но, увы, даже 13 ГВт мощности (выходной, а не термоядерной!) выглядят труднодостижимыми на практике. Во‑вторых, можно снизить удельный импульс. Уже 100 000 м/с откроют нам совершенно новые возможности освоения Солнечной системы. При этом 1 ГВт выходной мощности будет соответствовать 20 000 Н или более 2 тс тяги — вполне достаточно даже для тяжелого (сотни тонн «сухой» массы) межпланетного корабля, не предназначенного для входа в атмосферу.

Магнитные ракеты

За редчайшим исключением, все проекты термоядерных ракетных двигателей с магнитным удержанием основываются на так называемых открытых магнитных ловушках — цилиндрах, из торцов которых истекает поток плазмы. Если для энергетического реактора такие потери плазмы являются серьезной проблемой, то для термоядерного двигателя это смысл его работы, так как именно поток плазмы из торца двигателя и создает тягу. Удельный импульс двигателя определяется температурой плазмы и может достигать нескольких миллионов метров в секунду. Напуск в районе торца двигателя дополнительного рабочего тела (обычного водорода) может более чем на порядок повысить тягу двигателя (естественно, в ущерб удельному импульсу).

Самый простой вариант такого двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некотором удалении друг от друга. Иногда посередине добавляют менее мощные катушки, которые позволяют управлять профилем магнитного поля между пробками. При достаточно большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Но, увы, совсем ненамного и только при работе на смеси дейтерия и трития. Поскольку КПД преобразования тепловой энергии в электрическую невелик, пробкотрон всегда будет требовать для своей работы подвода энергии извне. Если вспомнить, какие мощности необходимы для создания существенной тяги при большом удельном импульсе, получится, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС. В таких условиях проще отказаться от термоядерного реактора и использовать куда более простую и существенно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.

Развитием идеи пробкотрона является многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении путем увеличения ее длины можно достичь сколь угодно хорошего удержания плазмы, вплоть до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую можно достичь в ловушке такого типа, она производит впечатление весьма перспективного кандидата. Увы, есть две проблемы, существенно снижающие перспективность этого направления. Первая — это потери плазмой энергии поперек магнитного поля, которые для установок большой длины, скорее всего, станут основными. Вторая проблема состоит в том, что даже для смеси дейтерия и трития (1:1) необходимая длина двигателя составит около 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов топлива размеры двигателя будут еще больше).

Другим развитием пробкотрона является газодинамическая плазменная ловушка, в которой длинная область с однородным магнитным полем относительно небольшой напряженности с обоих концов заканчивается мощными магнитными пробками или парами пробок (дополнительными пробкотронами с мощным полем). Положительное свойство такой ловушки — хорошо предсказуемое поведение плазмы в ней. Однако ее длина, как и в случае многопробочной ловушки, должна будет составлять около километра или более даже при дейтерий-тритиевом топливе.

Наиболее простая открытая плазменная ловушка — пробкотрон. В простейшем случае она состоит всего из двух магнитных катушек. Развитие пробкотрона — многопробочная и газодинамическая ловушки.

Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В простейшем случае это система из трех пробкотронов: один центральный с очень большой длиной и два маленьких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не дает уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно длинной, мы всегда можем производить в ней больше энергии, чем нужно для поддержания плазмы в концевых участках. Такая ловушка теоретически должна получиться заметно короче газодинамической или многопробочной. Но есть у нее и недостатки. Во‑первых, обязательная инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее там, на что требуются десятки и даже сотни мегаватт. Таким образом, реактор должен стать не только двигателем, но и основой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы. Во‑вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке куда сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а объем экспериментальных данных недостаточен. Так что пока говорить об осуществимости такого двигателя слишком рано.

Силы инерции

В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, в свою очередь, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез потенциально позволяет получить удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его идеальным вариантом для межзвездных зондов. Именно этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», который разрабатывался группой специалистов из Британского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же использует разрабатываемый сейчас наследник «Дедала» — «Икар».

Инерциальный синтез. Основная идея инерциального синтеза состоит в равномерном облучении крупинки термоядерного топлива мощными потоками частиц (фотонов, ионов, электронов), что приводит к ее сжатию и разогреву.

Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Поскольку зажигание самоподдерживающейся реакции здесь принципиально невозможно, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна составлять как минимум 10% от мощности реактивной струи. Расчеты показывают, что при тяге двигателя всего 2000 Н (204 кгс) и удельном импульсе 10 000 000 м/с нам потребуется мощность ракетного двигателя в 10 ГВт, а электрическая — не менее 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока крупной АЭС.

Кроме того, нет оснований полагать, что в сколько-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней такого двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать использование пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными характеристиками, еще не созданы даже для наземных установок.

Глобус-М. Экспериментальный зал ФТИ РАН со сферическим токамаком Глобус-М. Потомки этой установки могут стать основой как наземной электростанции, так и термоядерного ракетного двигателя.

Токамаки в космосе

Почти все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.

На заре термоядерных исследований предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Однако быстро выяснилось, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы оказалась концепция дивертора. Суть ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. Внутри сепаратрисы плазма максимально хорошо удерживается, но за ее пределами почти мгновенно уходит на специальные пластины в нижней (чаще всего) части установки, которая и называется дивертором.

Таким образом взаимодействие между термоядерной плазмой и стенкой существенно ослабляется. Ничто не мешает использовать плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для создания тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора позволит, как и в случае открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.

Токамак[1]

Важнейшее преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — максимальная отработанность этого типа магнитных ловушек. Если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже необходимых в сотни раз, то параметры токамаков нужно улучшить всего на порядок. Кроме того, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся крайне полезными для наземных термоядерных электростанций. Расчеты показывают, что сферический токамак с сильным магнитным полем, работающий на смеси 98% дейтерия и 2% трития, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя несколько таких токамаков, можно получить тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, при этом расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, используемого как дополнительное рабочее тело, — около 26 г/с. Корабль «сухой» массой 565 т, несущий 35 т дейтерия и 600 т водорода, сможет разогнаться до скорости 65 км/с, затормозить, снова разогнаться до этой скорости и снова затормозить. Такие параметры позволяют уложить длительность экспедиции к Сатурну в два года.

Полный бак

На чем же будут работать звездолеты? Выбор топлива — отдельная серьезная проблема. Проще всего запустить реакцию в смеси дейтерия и трития 1:1. Однако с ее использованием есть большие проблемы. Тритий в природе не встречается, его необходимо получать искусственно. Необходимые количества при этом составят десятки тонн, что во много раз превышает возможности его производства за всю историю! Кроме того, он радиоактивен (хотя и слабо) и благодаря этому саморазогревается, так что его практически невозможно хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, да еще и охлаждать — не самая простая задача.

Поэтому логичным решением представляется производство трития из лития прямо в двигателе, как это планируется делать на термоядерных электростанциях. Но за один проход через реактор успевает прореагировать лишь доля процента термоядерного топлива (в реакторах с инерциальным удержанием — до 10%). В электростанции вся отработанная (попавшая в дивертор) плазма собирается, и тритий может быть использован повторно. Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, нужно произвести сотни новых. Однако это невозможно: один термоядерный нейтрон в лучшем случае может произвести два атома трития.

Использование смеси дейтерия и гелия-3 позволяет максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, так как «горение» такой смеси дает куда меньше нейтронов и больше быстрых заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совершенно безопасен. Но его на Земле нет. Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его в количестве десятков тонн — еще более сложная задача. Теоретически гелий-3 можно добывать на Луне, но для этого потребуется создание мощной космической инфраструктуры (для чего как раз очень пригодился бы термоядерный ракетный двигатель). Стоит отметить еще две проблемы смеси дейтерия и гелия-3: во‑первых, она требует куда большей температуры и времени удержания плазмы, а во-вторых, дает меньшую мощность на единицу объема плазмы.

Поэтому первые термоядерные ракетные двигатели будут работать либо на чистом дейтерии, либо на дейтерии с небольшой (не более нескольких процентов) примесью трития. Недостатки у этого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3, плюс еще мощное нейтронное излучение. Зато дейтерий относительно дешев и доступен практически в неограниченных количествах. Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Даже небольшая примесь этого изотопа может позволить существенно повысить термоядерную мощность реактора.

Источник

Журнал "Все о Космосе" рекомендует:

aboutspacejornal.net