Содержание
NASA подтверждает работоспособность «невозможного» волнового двигателя, не использующего реактивную массу — EmDrive / Хабр
Дисклеймер: данная статья написана неспециалистом в данной области. Коррективровки, замечания и развёрнутые комментарии всячески приветствуются.
Суть новости
30 июля на 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference — пятидесятой совместной конференции Американского Института Аэронавтики и Астронавтики, Американского Сообщества Инженеров-Механиков, Сообщества Автомобильных Инженеров и Американского Сообщества Инженерного Образования, посвященной двигательным системам, если кому интересно значение сокращений, представители лаборатории NASA предоставили отчёт, согласно которому EmDrive, двигатель, создающий тягу без выброса реактивной массы, работает.
Принцип работы
Очевидно, читатель, следуя примеру мирового научного сообщества, скептически выгибает бровь относительно предыдущей фразы.
Потому тут же приведу описание принципа работы двигателя, представленное на сайте компании-изобретателя.
В самом общем виде устройство состоит из магнетрона и отражательной камеры специфической формы, создающей резонанс электромагнитной волны.
Принцип действия основывается на эффекте давления электромагнитного излучения: микроволновое излучение оказывает давление на отражатель. Благодаря форме отражательной камеры давление на большей стороне оказывается выше, чем на меньшей. Возникает логичное возражение, что, согласно ньютонианским законам, такое давление в закрытой системе приведёт лишь к нагрузке на материал камеры. Однако, по утверждению создателей, в данном случае необходимо применение Специальной Теории Относительности, согласно которой, из-за околосветовой скорости движения волны, отражательная камера и волна должны рассматриваться в разных системах отсчёта и, следовательно, комбинация отражатель+волна становятся открытой системой и создаёт тягу без использования реактивного выброса.
Сила волны дополнительно увеличивается благодаря создаваемому резонансу. Интересующиеся конкретными формулами могут посмотреть их в приведённом выше источнике.
История
Первый экспериментальный образец: медного цвета отражательная камера, магнетрон и много водного охлаждения.
Первые новости о таком двигателе появились в 2000 году, когда британец Roger J. Shawyer основал компанию Satellite Propulsion Research Ltd, занятую разработкой этого устройства. Несмотря на то, что рабочий прототип был изготовлен ещё в 2003 году (устройство создавало тягу в едва заметные, но достаточные для доказательства работоспособности концепции 16 mN), полноценные независимые исследования были начаты только в 2008 году — тогда китайская команда учёных провела теоретические расчёты и согласилась, что теория жизнеспособна. В 2010 году та же команда опубликовала работу, где вывела формулу расчёта тяги такого двигателя, а так же заявила, что в экспериментах была получена тяга в 720 mN (72 грамма).
Однако, и их работа была встречена с большим скептицизмом.
Наконец, учёный из США, Guido Fetta, построил свою версию «безтопливного» двигателя, работающего на том же принципе, но использующего не форму отражателя камеры, а отражатели с разным коэффициентом отражения, и убедил NASA провести испытания.
Результаты испытаний лаборатории Eagleworks Laboratories были представлены 30 июля 2014г. Общий смысл отчёта можно сжать до «Мы не уверены, как это работает, но оно работает»: исследователи старались избегать размышлений о физике работы двигателя и просто привели результаты испытаний. Выдержка из отчёта.
Для надежности испытаний сотрудники лаборатории провели сравнительные испытания «нулевого двигателя» — той же системы, настроенной с незначительными изменениями, предотвращающими появление тяги, а также испытывали рабочий образец в разных направлениях, чтобы исключить возможные ошибки, вызванные воздействием электромагнитного поля на измерительное оборудование.
Согласно отчёту NASA, удалось достичь тяги в 30-50 mN.
Заметно меньше, чем ранее заявленный результат китайской команды, однако вполне достаточно для подтверждения функциональности такой системы. К сожалению, количество затраченной электроэнергии указано не было, так что оценить эффективность такого двигателя пока не выходит.
Источники информации: раз и два.
Возможное применение
Дальнейший текст является исключительно авторскими размышлениями
Думаю, любой энтузиаст космической техники сможет привести немало возможных ситуаций, где подобный электрический двигатель будет крайне полезен. В первую очередь — вывод спутников на высокую земную орбиту. Сейчас большая часть массы отправляемого на геостационарную орбиту аппарата состоит из топлива. С использованием EmDrive, аппарат может выйти на высокую орбиту, получая энергию от солнечных батарей или РИТЭГов.
Аналогичная система может использоваться и для исследования Солнечной системы — двигаясь с постоянным, хоть и небольшим ускорением, космический аппарат сможет покрывать межпланетные расстояния куда быстрее, чем используя современную систему «начального пинка» от химической ракеты и полёта по баллистической траектории.
Аналогичную систему предлагают ионные двигатели, но, во-первых, в них всё же используется рабочее тело, а значит, что его количество накладывает ограничения на общее количество тяги, которое может произвести двигатель, не говоря о том, что топливо имеет массу. Во-вторых, судя по увиденному, конструкция EmDrive куда проще и дешевле ионного двигателя: отражательная камера, магнетрон, источник энергии и система охлаждения — все эти части достаточно просты и давно испытаны.
Разумеется, пока что речь идёт лишь о крайне лёгких аппаратах — ещё неизвестно, возможно ли будет создать двигатель с тягой достаточной, чтобы его можно было установить на пилотируемый корабль или аппарат размером с межпланетный модуль Curiosity. Однако, если это всё же окажется возможным, единственным ограничением в межпланетных перелётах окажется энергия, а в отличие от топлива, добывать её в космосе мы уже умеем.
Невозможный двигатель | Политехнический музей
© wikimedia.org
«Двигатель, работающий вопреки всем законам физики» — самая популярная из новостей космонавтики последних дней.
В этой истории строгие отчеты NASA и детальные выкладки инженеров странным образом соединились с довольно нелепыми заявлениями журналистов. Политех попытался расставить все по своим местам.
Неправда: «Первые испытания двигателя EmDrive прошли успешно»
В NASA была испытана система Cannae Drive, которая реализована на принципе, предложенном британским разработчиком Роджером Шойером (Roger Shawyer). Многие годы его проект EmDrive оставался непризнанным, несмотря на успешные демонстрации и на то, что в 2012 г. работоспособность концепции подтвердила независимая группа китайских инженеров.
Лишь аналогичный Cannae Drive, собранный американцем Гвидо Феттой (Guido Fetta), удостоился строгих испытаний в лабораториях NASA. Испытаний, закончившихся сенсационно: 30 июля на конференции в Кливленде инженеры агентства сообщили, что Cannae Drive выдает стабильную тягу в 30−50 мкН. Это на порядки меньше, чем у современных плазменных и ионных двигателей — и еще меньше, чем у жидкостных реактивных.
Но все они требуют топлива, которое может занимать больше половины веса космического аппарата. «Неправильному» двигателю Шойера-Фетты этого не нужно.
Послужной список Шойера впечатляет: 11 лет инженерных работ в области оборонных технологий, 20 лет в космическом консорциуме EADS Astrium… и 14 лет собственной разработки «электро-микроволнового двигателя» EMDrive. Как же мог такой человек «оступиться», создав нечто, что физику отвергает? Конечно, не мог — в отчете NASA сказано: «Результаты показывают, что радиочастотный резонансный двигатель (…) создает силу, которую невозможно отнести к какому-либо явлению классического электромагнетизма». Уточнение «классический» здесь очень важно — и скоро мы узнаем, почему.
Неправда: «Двигатель, работающий вопреки всем законам физики»
Идея EMDrive берет начало еще в работах Джеймса Максвелла, который в 1870-х заметил, что излучение должно создавать давление на любую поверхность, на которую падает — небольшое, но все-таки вполне реальное.
На рубеже ХХ в. это было доказано экспериментально, когда Петр Лебедев измерил величину светового давления Солнца. «Для своего времени Лебедев поставил поразительный опыт, ведь свет оказывает очень малое давление — например, 100-ватная лампочка, если сконцентрировать на теле весь ее свет, будет создавать силу всего 300 наноньютонов», — добавляет руководитель физической лаборатории Политеха Юрий Михайловский. В 1920-х один из пионеров советской космонавтики Фридрих Цандер предложил использовать это давление для создания космических кораблей на солнечном парусе.
Конечно, впечатляющей тяги от такого движителя ожидать не стоит — давление фотонов солнечного света очень мало и падает с увеличением расстояния от звезды — однако он не требует никакого топлива и может работать, теоретически, сколь угодно долго. Эти преимущества достаточно весомы, и проекты создания солнечного паруса пытаются реализовать уже не одно десятилетие. Существовали они и в СССР, и в США, однако из-за бесчисленных технических трудностей ни один из них успехом не увенчался, и только в 2010 г. японский аппарат IKAROS сумел не только благополучно развернуть парус размерами 14×14 м, но и менять с его помощью скорость и направление движения. Впрочем, нам придется снова вернуться в прошлое.
Дело в том, что про Солнце Максвелл не говорил: это лишь частный случай, ведь давление создает любое излучение. С его помощью можно добиться и большей тяги, если только получить достаточно мощный поток излучения и канализировать его в нужном направлении. Эта идея, по словам Шойера, «крепко засела» у него в голове еще в 1970-х, когда он сотрудничал с британской компанией Sperry Gyroscope и работал над созданием гироскопов для систем ориентации военных аппаратов.
Неправда: «Первый двигатель, работающий без топлива»
«В основе работы любого двигателя лежит простой принцип: чтобы двигаться вперед, по закону сохранения импульса надо что-то отправить назад, — рассказывает Юрий Михайловский, — Поэтому, если говорить о полетах к звездам, у нас неизбежно возникнет проблема с тем, что для них топлива, продукты сгорания которого могли бы вылетать назад, толкая вперед корабль, — не напасешься.
Поэтому сейчас для этой цели рассматривается возможность использовать солнечный парус, который сможет использовать давление света, например, от установленного на Луне мощного лазера. Такому двигателю-парусу топливо на борту не нужно». Не требует топлива и EMDrive — но давайте разберемся, почему.
Возьмите обычный магнетрон — электронную лампу, такую же, какие производят микроволны в любой бытовой СВЧ-печке. Направляйте их не просто в воздух, а в волновод — медную трубку, которая служит удобным каналом, направляющим движение волн, и не дает им быстро затухать. Придайте волноводу специальную форму, такую, что микроволны с определенной длиной волны будут интерферировать, усиливаясь и накапливая больше энергии.
Теперь запаяйте открытые концы волновода — и микроволны будут, отражаясь то с одной, то с другой стороны, путешествовать внутри туда и обратно, создавая давление на обоих концах. Конечно, это давление в две стороны будет уравновешено. Но если сделать волновод коническим, то фотоны микроволн в широкой части смогут путешествовать более-менее свободно, а в узкой будут «замедляться» непрерывным отражением от стенок.
Такая система создаст тягу в сторону широкого конца волновода, не требуя никакого топлива: достаточно электричества для генерации микроволн.
Именно тут происходит нечто, из-за чего от проекта Шойера так долго отмахивались. Ведь еще из ньютоновских принципов мы помним, что сила действия равна силе противодействия, и фотоны микроволн, путешествуя лишь в пределах волновода, не должны создавать тягу. Это все равно что встать на платформу вагона и бросать в его переднюю стенку тяжелые ядра: импульс по направлению вперед, который создаст удар ядра, будет уравновешен импульсом в обратном направлении, который оно придаст вам в момент броска.
Однако фотоны микроволн в EMDrive классическим правилам не подчиняются. Во-первых, они движутся на скорости света, и для точного описания их поведения потребуются расчеты на основе Специальной теории относительности. Во-вторых, все происходит в таких крошечных масштабах, на которых должны проявляться странные квантово-механические явления. В частности, в вакууме волновода должны появляться и снова исчезать виртуальные частицы и, возможно, резонирующие микроволны каким-то образом влияют на эти процессы.
«Не стоит думать, что такой двигатель — вечный! — подчеркивает Юрий Михайловский. — Для создания тяги он потребляет энергию, просто огромную для таких показателей. Автор утверждает, что максимальная тяга для этого двигателя 333 мН/кВт, однако те прототипы, о которых сообщают в NASA, имеют эффективность в тысячи раз меньше. Для сравнения: если вы просто включите фонарик, то будете ощущать тягу в противоположную от распространения луча сторону, равную 3,3 мкН/КВт».
Рассмотреть происходящее теоретически еще предстоит, как предстоит и провести нужные расчеты. Это не значит, что они не могут быть проведены вообще, или что двигатель Шойера отменяет современную физику. Это — один из тех случаев, когда практика несколько обогнала теоретические выкладки.
Возможно: «Двигатель совершит прорыв в космической индустрии»
На самом деле, с давлением, которое фотоны излучения создают внутри волновода, физики сталкиваются уже достаточно давно. Этот эффект заметен в современных ускорителях частиц, где оно слегка растягивает длину волновода — приходится использовать сложные системы для компенсации этого воздействия.
Просто до Шойера никто не задумывался о том, что такую силу можно использовать.
Зато задумывались физики о том, как сделать волноводы более эффективными, так, чтобы энергия пойманных в них волн не рассеивалась в тепло. Как правило, для этого используются сверхпроводящие материалы и сложные установки для поддержания сверхнизких температур. Внимательный Шойер обратил внимание и на это: его расчеты показали, что при достижении определенного уровня сохранения энергии микроволн в EMDrive такие двигатели смогут создавать тягу очень существенную. Вплоть до такой, которая позволит использовать их даже на Земле, на автомобилях, самолетах и повсюду, где только могут понадобиться двигатели. Сначала в космической индустрии, далее — везде.
Юрий Михайловский резюмирует: «Устройство и принцип работы данного двигателя вызывают ряд вопросов. Конечно, должно пройти достаточное время, чтобы убедиться, что такая схема действительно корректно работает. В подобный экспериментах очень легко совершить ошибку, особенно когда очень хочется получить заветный результат.
Чтобы подтвердить работоспособность такого двигателя, его должны собрать и протестировать в разных лабораториях мира. Так что говорить о сенсации пока что преждевременно».
Правда и вымысел об утечке документов NASA EmDrive
Если человечество когда-либо захочет по-настоящему исследовать внешние пределы нашей Солнечной системы или отправиться к другим звездам, нам придется построить лучший двигатель для нашего космического корабля. На самом деле, этот двигатель должен быть настолько хорош, чтобы он мог создавать тягу без расхода топлива. Правильно: если мы когда-нибудь захотим совершить четырехчасовое путешествие на Луну или двухмесячное путешествие на Марс, нам понадобится ракетный двигатель, которому не нужно ракетное топливо.
Advertisement
Это идея радиочастотного резонансного резонаторного двигателя, также известного как EmDrive — теоретического безреактивного двигателя, работающего на преобразовании электричества в микроволны и их отражении в закрытой металлической воронке.
EmDrive не раз отвергали как «невозможный», потому что он нарушает третий закон движения Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Но если верить просочившейся статье НАСА, опубликованной в Интернете в прошлую субботу, то ученые НАСА не только разрабатывают EmDrive, но и создали работающий двигатель.
Как подробно описано в документе, группа физиков НАСА во главе с Гарольдом «Сонни» Уайтом и Полом Марчем — ведущими фигурами в экзотических двигательных установках — смогла создать тягу в «конусообразном тестовом радиочастотном изделии» (читай: прототип EmDrive). ) во время серии испытаний в NASA Eagleworks Labs в Космическом центре Джонсона осенью 2015 года.
По сути, NASA EmDrive на бумаге состоит из замкнутого медного конуса, внутреннюю часть которого бомбардируют микроволнами. Чтобы протестировать EmDrive, исследователи включили его на 40, 60 и 80 Вт и обнаружили, что он генерирует до 58, 128 и 119 Вт.микроньютонов тяги соответственно.
Учитывая, что эта «аномалия» все еще наблюдалась Уайтом и его коллегами после учета ошибки, это говорит о том, что результаты эксперимента показывают, что EmDrive действительно возможен.
Реклама
Основываясь на этих результатах, исследователи подсчитали, что их хитрое изобретение будет способно генерировать примерно 1,2 миллиньютона тяги на киловатт, если они увеличат потребляемую мощность. Чтобы представить это в перспективе, двигатель Холла — один из самых мощных в разработке и приводимый в действие выбросом плазмы — генерирует около 60 миллиньютонов тяги на киловатт.
«Вопрос здесь заключается в том, видит ли эксперимент что-то реальное или нет», — сказал журналу Motherboard Джим Вудворд, физик из Калифорнийского университета в Фуллертоне. «Я знаю, что Пол [Марч] делает чистую работу, и, честно говоря, я подозреваю, что там действительно что-то есть. Но результат, который они видят, на самом деле не может быть объяснен с точки зрения теории, которую они предлагают.
Так что вопрос является: что вызывает это?»
Согласно Ньютону, если вы хотите отправить ракету в космос, вам придется выбросить некоторый материал в направлении, противоположном направлению движения ракеты. Но EmDrive, кажется, генерирует реакцию без каких-либо действий — так что же дает?
Был выдвинут ряд теорий, пытающихся объяснить это мнимое нарушение основ физики. Уайт был сторонником объяснения квантового вакуума, в котором утверждается, что EmDrive способен генерировать тягу, воздействуя на пары виртуальных частиц, которые генерируются флуктуациями в квантовом вакууме (в этой теории эти флуктуации вакуума создаются электромагнитным полем). генерируется EmDrive). По сути, микроволны будут «отталкивать» эти виртуальные частицы внутри полости EmDrive, создавая тягу, которую Уайт и его коллеги наблюдали в экспериментах с EmDrive.
Реклама
Другим ведущим объяснением является то, что тяга EmDrive создается радиационным давлением, и эту позицию придерживается его изобретатель Роджер Шойер.
С этой точки зрения, когда микроволновое излучение попадает в медную полость, излучение давит на стенки EmDrive и создает тягу.
Однако, по словам Вудворда, обе эти теории вряд ли верны по простой причине: физика их не допускает.
В качестве примера Вудворд сравнил объяснение результатов, полученных в НАСА, исключительно с точки зрения микроволнового давления, с утверждением, что вы можете ускорить автомобиль, сев на водительское сиденье и нажав на лобовое стекло.
«Может ли любое расположение микроволн внутри полости создавать тягу?» — сказал Вудворд. «На этот вопрос есть простой ответ: нет, не может. Сохранение импульса диктует, что любая чисто электромагнитная замкнутая система не может создавать тягу. Это относится как к квантовой теории, так и к классической электродинамике. Это физически невозможно».
Вот что привело Уайта к его квантово-вакуумной теории: если микроволны не могут отталкиваться от внутренних стенок медного конуса для создания тяги, то они должны отталкиваться от чего-то еще внутри конуса — например, от виртуальной частицы.
пары античастиц, существующие в квантовом вакууме. Проблема в том, что, хотя экспериментально доказано существование квантового вакуума, физики довольно твердо согласны с тем, что его нельзя использовать в качестве среды для создания тяги.
Реклама
Хотя теория квантового вакуума Уайта упоминается как теоретическое объяснение тяги, наблюдаемой как в недавно просочившейся статье НАСА, так и в первой статье НАСА EmDrive от 2014 года, она снова и снова разоблачается ведущими физиками в сообществе. .
Изобретатель EmDrive Роджер Шойер демонстрирует, почему, по его мнению, радиационное давление объясняет тягу EmDrive
«Теоретическая конструкция, связанная с квантовым вакуумом, — чепуха, — сказал Вудворд. «Нет никаких экспериментальных доказательств того, что что-то отдаленно похожее на [теорию Уайта] является разумным способом рассмотрения вакуума. Насколько я знаю, это то, к чему серьезно не относится ни один серьезный квантовый теоретик поля».
Вместо этого Вудворд считает, что результаты экспериментов НАСА с EmDrive можно объяснить, не нарушая основных законов физики.
«Эффект Маха — единственный возможный способ объяснить это», — сказал Вудворд. «Если они смотрят на настоящий аномальный сигнал, и вы хотите попытаться объяснить его с помощью физики, которая не является чепухой, то это, кажется, единственный способ приблизиться к этому».
Вудворд, как первый человек, выдвинувший теорию об эффектах Маха в 1990 году, должен был об этом знать. Согласно теории эффекта Маха Вудворда, когда тело с массой ускоряется, часть силы, приложенной к этому телу, не приводит к кинетической энергии, а запасается в виде потенциальной энергии в теле. При изменении ускорения изменяется и внутренняя энергия тела, что проявляется в изменении массы покоя этого тела.
Advertisement
Ускоряющееся тело фактически сжимается между силой, приложенной в направлении его ускорения, и отталкиванием остального материала во Вселенной через гравитационное поле. Эти две противодействующие силы изменяют внутреннюю энергию ускоряющегося тела, и никакие физические законы не нарушаются: импульс сохраняется, но небольшие его количества временно «запасаются» в ускоряющемся теле.
По словам Вудворда, этот эффект флуктуации массы может объяснить тягу, наблюдаемую в лаборатории NASA Eagleworks. Если микроволны, распространяющиеся в конусе EmDrive, воздействуют на материал, из которого сделан конус, то тягу, создаваемую таким образом, можно объяснить эффектом Маха, описанным Вудвордом.
Вудворд провел последние два десятилетия, создавая устройства, которые успешно продемонстрировали эффект Маха, хотя его теория все еще далека от общепринятой в физическом сообществе. Тем не менее, она набирает силу, поскольку более успешные эксперименты подтверждают его теорию. Марч, например, работал с Вудвордом над рядом успешных экспериментов с эффектом Маха за последнее десятилетие, а на сентябрьской конференции Exotic Propulsion в Эстес-Парке, штат Колорадо, три физика, помимо Вудворда, заявили, что экспериментально воспроизвели результаты эффекта Маха Вудворда.
«На мой взгляд, это единственная физика, которую я знаю и которой доверяю, не связанная с принятием желаемого за действительное и магическими полями», — сказал Вудворд.
На данный момент все, что мы знаем, это то, что статья, просочившаяся в субботу, на самом деле является законной — она прошла рецензирование и принята к публикации в журнале AIAA Journal of Propulsion and Power , где она должна появиться в декабрьском номере. . Что неясно, так это то, насколько рецензируемая версия изменится по сравнению с ранней версией, просочившейся в сеть.
По словам Вудворда, который видел копию статьи вскоре после того, как она была принята для рецензирования, основное различие между принятой копией и просочившимся ранним выпуском заключается в том, что в последнем гораздо больше теории, пытающейся объяснить результаты. Предположительно, AIAA примет статью только в том случае, если Уайт и его коллеги откажутся от теории квантового вакуума и просто опубликуют результаты своих исследований, не пытаясь их объяснить.
Остается выяснить, смогут ли другие использовать теорию эффекта Маха Вудворда, чтобы воспроизвести результаты, полученные в лаборатории NASA Eagleworks, и тем самым предложить убедительное объяснение тому, что наблюдали Уайт и его коллеги.
«В отсутствие убедительного физического объяснения, которое не противоречит хорошо известным принципам физики, вы должны воздержаться от любых суждений о том, реальны ли [результаты НАСА]», — сказал Вудворд. «Эти вещи гораздо сложнее сделать и сделать правильно, чем это действительно ценит почти любой, кто на самом деле не был в окопах, делая это. Шансы против того, чтобы что-то было реальным в этом бизнесе, очень высоки».
луна — Микроволновый привод для кубсатов
$\begingroup$
Теория: как это?
Я провел много исследований о двигателе EmDrive, я обнаружил, что 50% документов говорят, что он работает, а другие 50% говорят, что «тяга» является продуктом взаимодействия с магнитным полем Земли. Я тоже это вижу, EmDrive на кубсатах?? И тогда я думаю, кубсат 3U с очень большой солнечной батареей сможет вывести этот кубсат с НОО на лунную орбиту?
Спасибо за любые разъяснения.
- луна
- конструкция двигателя
- кубсат
- тяга
- emdrive
$\endgroup$
17
$\begingroup$
Это то же или подобное нефизическое вещество, что и раньше.