Содержание
Начало эры межзвездных перелетов откладывается: невозможный двигатель EmDrive оказался невозможным
Ученые на днях окончательно «убили» одну из самых перспективных технологий для ракетного двигателя. Разработка под названием EmDrive могла стать первым шагом в начале эры межзвездных перелетов, ведь для ее работы не нужно было рабочее тело, и космические корабли могли бы нести в себе только полезный груз. Двигатель EmDrive был настолько необычным, что его называли невозможным, и, собственно, последние исследования подтвердили это.
Права на интеллектуальную собственность на EmDrive принадлежат компании SPR Ltd. Принцип работы EmDrive заключается в том, чтобы излучать радиоволны в асимметричную закрытую камеру. Прогнозировалось, что с точки зрения внешнего наблюдателя такая установка будет перемещаться без подачи топлива и реактивного выхлопа. Первые тестирования этой разработки показали, что таким образом якобы можно генерировать тягу, хотя и в микроскопических размерах.
«Он опирается на второй закон Ньютона, согласно которому сила определяется как степень изменения момента, – объясняли принцип работы в SPR Ltd. – Таким образом, электромагнитная волна, которая перемещается со скоростью света, имеет определенный момент, который она передаст отражатель, что образует крошечную силу».
Принцип работы EmDrive нарушает текущее понимание физики, поскольку энергия не выходит из двигателя. Если бы EmDrive действительно работал, это заставило бы пересмотреть значительную часть современных представлений о вселенной.
Несколько исследовательских групп из NASA и DARPA исследовали возможность работы EmDrive за того, что подтверждение его свойств означало прорыв в космических перелетах. «Концепт мог трансформировать космические путешествия, мы могли бы видеть космические корабли, которые тихо поднимаются над взлетной площадкой и выходят за пределы Солнечной системы, – говорит один из участников группы тестирования DARPA EmDrive Майк Маккалоха. – Мы могли бы получить беспилотный зонд, который достиг бы Проксима Центавра за 90 лет».
Тестирование NASA, а также ученых из Китая показало, что EmDrive вроде действительно выдает крохотную тягу.
Однако недавно те результаты опровергли ученые дрезденского Университета Технологий. Они сказали, что полученная тяга не была результатом работы EmDrive, а появилась в результате воздействия внешних сил. Они применили такую же установку, которую испытывали в NASA, однако оснастили ее точными измерительными приборами и поместили ее на улучшенных опорах.
«Мы смогли воспроизвести имеющуюся силу тяги, схожую с той, что была измерена командой NASA. Однако также смогли заставить ее исчезнуть, изменив точку опоры», – рассказал один из исследователей Мартин Таймар.
Немецкие ученые выяснили, что при подаче энергии в EmDrive он разогревается. Это также заставляет деформироваться измеряющие элементы. То есть нулевая точка смещает свое положение. Новые результаты показывают, что все заявления относительно EmDrive ложные по крайней мере на три порядка.
Хотя EmDrive оказался провалом, он все равно продвинул науку вперед.
«К сожалению, мы не смогли подтвердить ни одну из концепций этого двигателя, но мы смогли значительно улучшить наши измерительные технологии. В результате мы можем продолжать исследования в этой области и, возможно, откроем что-то новое», – говорит Таймар.
По материалам: Popular Mechanics
Двигатели для покорения космоса: краткая история смелых проектов и перспективные разработки / Информация
Новые программы освоения космоса требуют разработки более совершенных двигателей. Конструкторам всегда хотелось уменьшить их массу, увеличить тягу и повысить экономичность. Сейчас это стало не простым стремлением сделать лучше, а необходимым условием для будущих пилотируемых миссий и доставки научной аппаратуры к другим планетам в разумные сроки. Какие технические решения выглядят заманчиво в отдалённой перспективе, а какие реализуются прямо сейчас?
С движением мы сталкиваемся ежедневно и привыкли к нему настолько, что не слишком задумываемся о его природе. В обычных условиях всегда есть какая-то среда и возможность взаимодействовать с ней.
Ноги и колёса автомобиля отталкиваются от твёрдой поверхности дороги, гребной винт лодки увлекает воду, а турбина самолёта – воздух. Отсутствие привычной среды в космосе не даёт столь богатых возможностей.
Испытания двигателя LYNX (фото: XCOR)
Единственный освоенный принцип движения космических аппаратов (КА) был и остаётся прежним: реактивная струя выбрасывается в одну сторону, создавая тягу в противоположном направлении. Вся соль в том, из чего формируется и что представляет собой сама реактивная струя.
Независимо от типа в ракетных двигателях «рабочим телом» принято называть то, что покидает сопло на большой скорости. Для разгонных блоков ракет-носителей это продукты сгорания топлива, для ионных двигателей спутников – ионизированный газ. Во всех случаях время работы двигателя ограничено имеющимся на борту запасом вещества, используемого при создании реактивной тяги.
Для вывода спутника на орбиту Земли и отправки автоматических межпланетных станций (АМС) за её пределы двигатель ракеты-носителя должен обеспечить тягу в сотни и тысячи килоньютон, но ему достаточно проработать несколько минут.
Самим космическим аппаратам вне гравитационного поля планеты достаточно тяги в доли ньютона, но эксплуатироваться их двигатели будут годами. Пока даже на одном КА приходится использовать несколько разных типов двигателей в качестве маршевых и корректирующих, но всё может измениться.
HyperV
Недавно в рамках проекта HyperV были собраны через Kickstarter средства на доработку импульсного плазменного двигателя. В качестве рабочего тела сгодятся практически любые газы. Сам двигатель обещает быть гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем имеющиеся аналоги.
Испытательный стенд двигателя HyperV (фото: Nancy Atkinson, Universe Today)
Главное преимущество заключается в универсальности. За счёт регулирования соотношения тяги к удельному импульсу один двигатель можно использовать для разных задач.
Orion, Daedalus, Longshot и другие ядерные ракетные двигатели
Ядерные двигатели разрабатываются с пятидесятых годов прошлого века и актуальны до сих пор.
Изначально их предполагалось делать импульсными – ядерные взрывы малой мощности должны были придавать ускорение огромному космическому кораблю. Грандиозный проект Orion был рассчитан на пилотируемую миссию с командой в 200 человек, но его так и не удалось воплотить по техническим и экономическим причинам.
Проект «Орион» в представлении художника (изображение: Joe Bergeron)
Позже предпочтение отдали менее экстремальному режиму работы ЯРД – реактивному, в котором ядерный реактор используется для контролируемого нагрева рабочего тела. Следующий проект (Daedalus) предполагал строительство на орбите Юпитера автономного зонда. Аппарат длиной почти в полкилометра должен был разогнаться термоядерными ракетными двигателями и достичь через 49 лет звезды Барнарда в созвездии Змееносца. Проект был свёрнут в 1977 году из-за недостаточных знаний об устройстве Солнечной системы вблизи её внешних границ.
Проект Daedalus — принципиальная схема (изображение: Adrian Mann)
В конце восьмидесятых NASA вернулось к идее межзвёздных полётов космических кораблей.
Проект Longshot выглядел более реалистично и основывался на использовании лазерно-термоядерного двигателя. В качестве цели была выбрана звезда альфа Центавра B. Время полёта увеличилось до века, а миссия не предполагала возвращения. В отличие от проекта Daedalus, Longshot опирался преимущественно на существующие, а не на перспективные технологии. На последнем этапе стало очевидно, что кораблю потребуется порядка 264 тонн смеси гелия-3 и дейтерия, которых получить в таких количествах ценой разумных затрат не удастся.
Проект Longshot (изображение: Beals, K.A.)
Несмотря на серию неудачных проектов, ядерные ракетные двигатели не теряют актуальности. Глава Роскосмоса Владимир Поповкин сообщил в интервью «Российской газете», что опытный образец ядерной установки мегаваттного класса для межпланетных полётов появится в России в 2017 году.
Проведение стендовых испытаний ядерного реактора запланировано в Сосновом Бору Ленинградской области. По сравнению с прямоточным ядерным двигателем температура нагрева рабочего тела должна снизиться до 1500 градусов, а создаваемая реактивная струя не будет радиоактивной.
Второе свойство позволит использовать двигатель уже на ранних этапах полёта без риска радиационного загрязнения атмосферы Земли. Подобная программа NASA «Прометей» была закрыта в 2006 году из-за недостаточного финансирования.
VASIMR
Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.
Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала «космический буксир» мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.
Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.
EmDrive
В конце 2012 года профессор Академии наук Китая Ян Цзюань представила перевод своей статьи, описывающей прототип уникального электромагнитного ракетного двигателя. На бумаге он выглядит гораздо интереснее имеющихся сегодня ионных двигателей хотя бы потому, что не требует расхода рабочего тела, но в этом и главная причина сомнений. Совсем недавно о таком типе электрического ракетного двигателя можно было только мечтать.
В отличие от всех иных типов ракетных двигателей, здесь ускорение должно достигаться за счёт направленного микроволнового излучения. О том, что электромагнитные волны создают давление, было известно ещё со времён Максвелла, однако описание принципов работы EmDrive вызывает множество вопросов.
Образно говоря, такой двигатель похож на микроволновку, к которой добавили резонирующую полость в виде замкнутого усечённого конуса. По идее, излучаемые микроволны оказывают давление на внутреннюю полость, которое не компенсируется только в одном направлении.
Так (по мнению госпожи Цзюань) у EmDrive возникает реактивная тяга.
Прототип электромагнитного двигателя EmDrive (фото: Yang Juan)
К сожалению, такой принцип работы EmDrive вызывает множество сомнений и напоминает печальный опыт установки экспериментального «движителя без выброса реактивной массы» на спутник «Юбилейный» в 2008 году.
Радует то, что EmDrive хотя бы не относится к пресловутым инерциоидам – типу устройств, работоспособность которых без взаимодействия с внешней средой невозможна. Сомнения касаются и большинства заявленных характеристик. Помимо того что в сравнении с лучшими ионными двигателями EmDrive обещает обеспечить больший срок службы, декларируется примерно в десять раз меньшая масса при той же мощности и большей (720 мН) тяге. Подробнее об истории разработки EmDrive смотрите статью Евгения Золотова.
Схема электромагнитного двигателя (изображение: peswiki.com)
При исследованиях дальнего космоса энергию для EmDrive, скорее всего, будут вырабатывать привычные модули РИТЭГ.
Во внутренней области Солнечной системы (условно – до главного пояса астероидов) можно ограничиться солнечными батареями. Срок автономной работы КА с электромагнитным двигателем и солнечными батареями будет практически ограничен только износом, так как у него на борту нет расходуемых компонентов.
Источник:»Компьютерра»
APEC 4/3: EmDrive и информационная вселенная Роджера Шойера
Роджер Шойер представляет подробный обзор получившей широкую огласку двигательной технологии EmDrive, а Амар Вакил и Джон Клаймер углубляются в OpEMCSS и AUP и их работу над системой управления система, которая позволяет проводить исследования и разработки в области квантовой гравитации. Мы также услышим новости от Марка Сокола и команды Falcon Space, а завершим мероприятие открытой дискуссией и специальными презентациями участников конференции!
Часть № 1 — Роджер Шойер — EmDrive: теория, проектирование и применение
Роджер Шойер представит подробный обзор получившей широкую огласку двигательной технологии EmDrive.
Предполагается, что EmDrive работает путем преобразования электричества в микроволны и направления этого электромагнитного излучения через коническую камеру. В принципе, микроволны могут прикладывать силу к стенкам камеры, создавая достаточную тягу для приведения в движение космического корабля, когда он находится в космосе. На веб-сайте Shawyer, SPR, Ltd., указано, что компания успешно испытала как экспериментальный двигатель, так и демонстрационный двигатель, в которых используется запатентованная микроволновая технология для преобразования электрической энергии непосредственно в тягу.
Часть 2 — Роджер Шойер — EmDrive — Сессия вопросов и ответов
Роджер Шойер отвечает на вопросы, касающиеся метода работы и основных физических принципов EmDrive.
Часть № 3 — Джон Клаймер — Изучение комбинированного материала и информационной вселенной для открытия новой физики
Джон Клаймер обсуждает компьютерное моделирование возникающих физических свойств в теории информационной вселенной, предложенной доктором Джоном Арчибалом Уилером.
Его презентация посвящена разработке программного обеспечения OpEMCSS и AUP для системы управления, которая позволяет проводить исследования и разработки в области передовых физических тем, включая дифференциальную геометрию Картана и кватернионы для моделирования гравитации, электромагнетизма и квантовых теорий поля. Цель состоит в следующем: (1) понять концепцию интеллектуального адаптивного агента, примененную к эксперименту Quadrupole, и (2) понять интерактивный параллельный процесс, модель системной науки для объяснения работы Информационной Вселенной (IU). Во-первых, представлены доказательства и описание Комбинированной Информационно-Материальной Вселенной как системы управления с обратной связью. Исследовательские работы, найденные в литературе, предполагают, что существует (IU), где сеть адаптивных интеллектуальных агентов общается для создания 3D+ пространства-времени и глобального регулирования Материальной Вселенной (MU). Во-вторых, в качестве примера описывается системная модель глобального регулирования IU.
В-третьих, представлено описание нашего квадрупольного эксперимента, который контролирует IU-регуляцию Материальной Вселенной. Описанное программное обеспечение для экспериментов Quadrupole использует методы эволюционного программирования как для нейронной сети (изучение карты признаков), так и для системы классификаторов (изучение правил с заданными признаками).
Часть № 4 — Амар Вакил — Моделирование и анализ информационной вселенной
Амар М. Вакил расскажет о своих почти 30-летних исследованиях и разработках в области автономного универсального предиктора (AUP). Амар продемонстрирует квантовый искусственный интеллект, воспринимая частичную информацию, хранящуюся в квантовых битах, находящихся в суперпозиции. Акцент будет сделан на эксперименте уровня готовности к высоким технологиям, который был проведен примерно в 2006 году в Калифорнийском университете в Ирвине, отдел функциональной магнитно-резонансной томографии. Затем Амар расширит свой AUP на «Информационную вселенную», включив исследования и разработки со своим коллегой доктором Джоном Р.
Клаймером OpEMCSS для нарушения, контроля и регулирования «что» (а не «как») в поисках новой полезной физики, включая конденсированные. материалы.
Часть № 5 — Амар Вакил и Джон Клаймер — Информационная вселенная — Сессия вопросов и ответов
Джон Клаймер и Амар Вакил отвечают на вопросы, касающиеся их работы по компьютерному моделированию Информационной вселенной, впервые предложенной доктором Джоном Арчибальдом Уилером. Амар затронет интересующие второстепенные темы, включая разработку предшественников с использованием информационной вселенной через AUP.
Часть № 6 — Falcon Space — обновления экспериментальной лаборатории
Марк Сокол представляет обновленную информацию о проектах Falcon Space, включая их планы по 3D-печати компонентов для экспериментальной реплики Alzofon и создание ими лазерного интерферометра, предназначенного для измерения эффекты искажения пространства-времени в будущих экспериментах.
Часть № 7 – Открытое обсуждение – Расширенная физика движения
Бенджамин Томас Соломон, Марк Сокол, Уилл Рикен и другие обсуждают новые модели физики, UAP, кручение и экспериментальные подходы к изменению гравитации и безреактивному движению.
это все фотоны / Хабр0002 Эпопея с так называемым «невозможным» двигателем EmDrive на электромагнитных волнах продолжается. На данный момент ряд известных ученых и научных организаций подтвердили работоспособность EmDrive. Двигатель представляет собой систему, состоящую из резонатора (металлического усеченного конуса) и магнетрона. Двигатель работает, это факт. Как? Такая система каким-то образом создает тягу под воздействием электромагнитного излучения. Существует несколько гипотез, объясняющих возникновение тяги. Пока ни одна гипотеза не доказана. В этом месяце финские ученые предложили свое объяснение принципа работы EmDrive.
По их мнению, формирование тяги в этой системе объясняется определенным типом интерференции волн, а именно деструктивной интерференцией.
Под конструктивной интерференцией мы понимаем такое сочетание отраженных волн при резонансе, когда волны усиливают друг друга. При деструктивной интерференции максимумы одних волн приходятся на минимумы других, при этом резонанса нет. Если речь идет о волнах на воде, то при разрушительной интерференции они перекрывают друг друга, и поверхность воды выглядит спокойной.
Можно привести еще один пример с электронами. Итак, интерференция рамановских электронных переходов различной степени нелинейности носит деструктивный характер.
А где фотоны?
По словам физиков из Финляндии, в резонаторе этого двигателя от большого количества всех частиц возникают пары фотонов, которые находятся в противофазе друг с другом. Такие пары, считают ученые, уносят импульс в сторону, противоположную движению двигателя. Взаимодействие этих фотонов приводит к возникновению электромагнитной волны с нулевой поляризацией. Но импульс все же переносит эту волну.
«Принцип работы EmDrive можно сравнить с принципом работы реактивного двигателя самолета, когда газы, движущиеся в одном направлении, толкают самолет в противоположном направлении», — говорит член команды из Финляндии Арто Аннила. «Микроволновое излучение — это топливо, которое поступает в резонатор… а тяга emDrive создает пары фотонов. Когда два фотона движутся вместе, но имеют противоположные фазы, то у этой пары нет электромагнитного поля, следовательно, она не будет отражаться от металлических стенок, а уходить.
По мнению исследователей, двигатель возникает под действием волн, длина которых не кратна расстоянию между стенками резонатора. Это возможно только в том случае, если резонатор несимметричен. Если бы оно было полностью симметричным, то тяги бы не возникло. В случае с EmDrive тяга будет проявляться при любой асимметричной конфигурации. Вполне вероятно, что КПД двигателя зависит как от мощности источника СВЧ и материала резонатора EmDrive, так и от его формы.
И эта зависимость нелинейна.
Финны подчеркивают, что их идея является лишь предположением, как и гипотезы их коллег, пытавшихся ранее объяснить принцип работы EmDrive. Физики из Финляндии надеются, что инженеры смогут создать тестовые системы для проверки своей теории парных фотонов. Для этого вам также понадобится устройство, называемое интерферометром. Интерферометр-измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и др.) с помощью того или иного прибора пространственно разделяется на два или более когерентных луча. Каждый из лучей проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих лучей в данной точке изображения.
Больше фотонов
Также отмечу, что в апреле физик Майк Маккалох из Университета Плимута попытался связать работу EmDrive с взаимодействием фотонов.
Макало предлагает объяснить принцип работы двигателя с помощью эффекта Унру. Этот эффект был назван в честь физика Билла Унру, открывшего его в 1976 году. Он показал, что понимание вакуума зависит от типа движения наблюдателя в пространстве-времени. Например, если неподвижный наблюдатель находится в вакууме, то в случае ускорения этот наблюдатель увидит вокруг себя множество частиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Другими словами, о вакууме можно говорить только по отношению к конкретному объекту. В этом случае инерция, по Махалоху, есть давление теплового излучения на ускоряющееся тело. При малых ускорениях волны излучения Унру превышают размеры всей Вселенной, что позволяет говорить о квантовании инерции.
Теория несколько необычная, но помимо принципа работы EmDrive она объясняет еще один эффект — транзитные аномалии. Транзитная аномалия — это неожиданное увеличение энергии во время гравитационных маневров космических аппаратов вблизи Земли.
Эта аномалия наблюдалась как доплеровский дрейф частоты в S-диапазоне и X-диапазоне, а также при дальней телеметрии.
Итак, Макалох предположил, что фотоны обладают инертной массой. Фотоны отражаются внутри корпуса EmDrive, поэтому испытывают инерцию. Длины волн излучения Унру в этом случае очень малы, их размер сравним с размером блока двигателя. Если более широкая часть конуса может принять волны Унру, которые не помещаются в узкую часть резонатора, то должна измениться инерция отражающихся фотонов. И чтобы сохранить импульс, система создает тягу. По мнению автора этой теории, она согласуется со значениями тяги, которые были получены в экспериментах.
Вы можете экспериментально проверить как финскую теорию, так и теорию англичанина, проведя серию тестов с помощью EmDrive. И если выяснится, что тяга в «невозможном» двигателе создается фотонами, это позволит технологам создать EmDrive с иной формой резонатора, который создаст большую тягу от двигателя.
Что это значит для космонавтики? Значительное сокращение времени полета космического корабля.