Двигатель будущего

Реактивные двигатели имеют свои ограничения. С их помощью можно добраться лишь до ближайших планет Солнечной системы – Марса, Венеры, и то крайне медленно, но о достижении других систем даже в пределах нашей Галактики речи не идет. Тому причиной и бешеное количество топлива, необходимое для маневрирования, и износ, и сложность управления. Впрочем, есть другой путь. Очень спорный. Очень подозрительный. Но… вдруг?

Новость, всколыхнувшая научную общественность, прозвучала в конце июля 2014 года. Как утверждали многочисленные таблоиды, NASA одобрило и по итогам испытаний признало работающим двигатель, который совсем не использовал топлива и создавал тягу за счет генерируемых магнетроном микроволн.

Тут же посыпались опровержения и пояснения. Споры о странном силовом агрегате не утихают до сих пор и, видимо, не утихнут до создания полностью рабочей модели или до появления доказательств того, что устройство является мошенничеством. Так или иначе, налицо два факта: нет, специалисты NASA не объявили «волновой» двигатель работающим и не подтвердили, что с его помощью человечество полетит в дальний космос; да, специалисты NASA протестировали устройство и назначили даты новых испытаний. Значит, есть о чем поговорить.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Двигатель на микроволнах

Двигатель EmDrive британский инженер Роджер Шоуэр задумал еще в начале 2000-х годов и создал под его разработку небольшую компанию. Первое явление странного аппарата миру произошло шестью годами позже.

EmDrive представляет собой конусообразный резонатор, на более узком конце которого установлен мощный магнетрон — электронная лампа, генерирующая микроволны. Когда магнетрон работает, микроволны, отражаясь от тщательно рассчитанной формы резонатора, усиливаются от одного конца устройства к другому. По утверждению создателя, благодаря этому возникает едва заметный дисбаланс давлений, который и создает тягу — пусть крошечную, но зато не требующую огромного количества топлива и совершенно безотходную. Иначе концепт называется «резонансным двигателем» (а не «релятивистским», конечно, как не слишком метко обозвала его пресса).

А вот дальше начинается фантастика. Шоуэр утверждает, что благодаря непосредственному преобразованию электричества в тягу не происходит потери момента импульса, каковая неизбежно имела бы место при наличии промежуточных звеньев. И при этом двигатель будто бы не нарушает законов Ньютона. Звучит странно. Вообще-то любые электромагнитные волны имеют момент, и построить на этом принципе ракету можно, только вот сделано это задолго до Шоуэра, и эффективность такой системы практически равна нулю.

Волны Шоуэра заперты внутри резонатора — как он может передавать энергию внешнему устройству? Представьте себе радиоуправляемый вертолетик, к которому прикреплена коробка. Он взлетит и поднимет коробку. А теперь закрепите его внутри коробки, запустите и закройте крышку. Никакого полета не будет. Или другой вариант: представьте, что вы толкаете автомобиль, сидя внутри. Примерно так выглядит идея Шоуэра. Но британский департамент торговли и промышленности выделил инженеру грант, а NASA провела испытания как EmDrive Шоуэра, так и аналогичной системы, разработанной американским инженером Гвидо Феттой. Происходит что-то странное, но что?

Попытки построить движитель без расходования рабочего тела, то есть, по сути, без топлива, предпринимались и раньше. Известной псевдонаучной историей было создание и испытание четыре года назад устройства, прозванного в научных кругах «гравицапой», а полуофициально называвшегося гравитационным двигателем. Инициатором его создания стал физик Спартак Поляков, а разработчиком — заместитель генерального директора ГКЦ имени М.В. Хруничева Валерий Меньшиков.
В прессе в связи с появлением «гравицапы» поднялся значительный шум, а Меньшиков получил средства не только на разработку бестопливного движителя (о принципе работы которого не распространялся вообще), но и на испытательный запуск его в космос. Испытания состоялись на борту спутника «Юбилейный» в 2010 году — планировалось включить «гравицапу» суммарно на 207 секунд и отклонить спутник на 1 км. Но результат, как и следовало ожидать, оказался отрицательным. Комиссия РАН по борьбе с лженаукой по итогам испытаний добилась остановки финансирования псевдонаучного проекта, и о «гравицапе» с тех пор ничего не слышно.

Подозрительные испытания

Первая «ласточка», обозначившая научный интерес к EmDrive, пролетела в 2012 году, когда китайская команда, заинтересовавшаяся разработкой Шоуэра, построила собственный двигатель по такому же принципу и объявила, что в ходе испытаний получена тяга порядка 72 г. Этого, к слову, достаточно, чтобы приводить в движение небольшой испытательный спутник.

Параллельно аналогичное устройство представил американский разработчик Гвидо Фетта. Но после тестирования обеих систем специалисты NASA во главе с Гарольдом Уайтом выпустили официальный документ — тот самый, что поверг мировую общественность в шок. Озаглавлен он так: «Аномальное создание тяги с помощью опытного резонансного устройства». Да, в заголовке действительно есть слово «аномальный». Испытания показали следующие результаты: для CannaeDrive при частоте микроволн примерно 935 МГц была получена тяга около 30−50 мН (3−5 г), а для EmDrive при частоте 1933 МГц и напряжении 17 В тяга составила 91 мН. Испытания заняли восемь дней, шесть из них ушли на настройку и проверку оборудования, а два — непосредственно на замеры. Прибором для измерения послужил крутильный маятник, точнейшее из возможных устройств для подобных исследований, а проводили замеры в вакуумной камере, в которой обычно рассчитывают тягу ионных двигателей. Теоретическая мощность космического двигателя, основанного на этой технологии, может составлять до 0,4 Н на 1 кВт. Это позволяет в будущем построить корабль для полета на Марс — при наличии 2-мегаваттного реактора двигатель может создавать тягу в 800 Н, приводя в движение 90-тонный космический корабль, причем вся миссия с учетом 70-дневного пребывания на Красной планете займет всего восемь месяцев. Будущее уже здесь? Видимо, пока нет.

Здоровый скептицизм

Что же смущает скептиков в этих исследованиях? Во-первых, подозрительное научное обоснование. Трудно поверить, но и Шоуэр, и китайская группа, и лаборатория NASA объясняют наличие тяги совершенно по-разному! Причем ни одно объяснение толком не соотносится с современной наукой.

Одно из основных направлений деятельности лаборатории Eagleworks — исследование возможности создания варп-двигателей. Варп-двигатель — это гипотетическое устройство, которое, основываясь на искривлениях пространства-времени, способно перемещать космический корабль со скоростью, превышающей световую. Наиболее известен эксперимент лаборатории с интерферометром Уайта-Джудея. В ходе эксперимента сравниваются фазы двух лазерных лучей, один из которых прямой, а второй теоретически проходит через область искривления пространства, созданную тороидальным устройством разработки того же Уайта. Правда, к варп-двигателям лаборатория пока не приблизилась ни на шаг.

Да, с теорией плоховато. Но ведь результаты, показанные на серьезных тестах, казалось бы, налицо. Дело в том, что тут тоже не все просто. Говорить об «одобрении NASA» в полной мере нельзя, потому что в этой организации 18 000 сотрудников и сотни подразделений. Испытания же проводило подразделение Eagleworks Labs, состоящее из пяти человек и специализирующееся на нестандартных движителях, — то есть эта лаборатория в разное время испытывала даже вечные двигатели! Да и руководитель лаборатории Уайт известен своими неортодоксальными научными идеями и стремлением совершить прорыв в физике любой ценой. Поэтому корректной, а не «желтой» формулировкой была бы следующая: «Экспериментальная лаборатория провела предварительные исследования резонансного двигателя». Не более того.

Во-вторых, смущает и то, что даже в отчете NASA многовато белых пятен. Из отчета не очень понятно, какая часть исследований проводилась в вакууме, а какая — в атмосфере. Есть также и странные пассажи, например такой: «Тяга наблюдалась с обеих сторон устройства, в том числе и с той, где мы не ожидали ее зафиксировать». Это означает, что двигатель работает при правильной установке и… при неправильной тоже. А если его вверх ногами перевернуть, он тоже будет работать?

Наконец, исследователи совершенно серьезно применяют термин «реактивная передача импульса через квантовый вакуум виртуальной плазмы», который не соотносится с современной физикой никоим образом. Потому что никакого «квантового вакуума виртуальной плазмы» не существует. В американских научных кругах применение такой терминологии называют эффектом «Стартрека», вспоминая легендарный научно-фантастический сериал «Звездный путь», сценарий которого пестрил псевдонаучными объяснениями различных технологий.

Борьба с лженаукой

От других подозрительных или откровенно псевдонаучных проектов и EmDrive Шоуэра, и CannaeDrive Фетты отличает одно: принцип работы озвучен, чертежи открыты, и любая лаборатория в мире может при желании построить аналог и испытать его (как и поступили китайцы). Зачем трем независимым и достаточно авторитетным группам исследователей в разное время объявлять об успехе проекта, если этот проект мошеннический?

На самом деле в современной теоретической физике множество белых пятен, и ученые этого не скрывают. Мы не знаем очень многого, в том числе связанного и с фундаментальными, основополагающими законами. Проблема в том, что «закрытие» этих пятен маленькими частными лабораториями маловероятно, зато информационная шумиха вокруг их работ может помешать более надежным научным изысканиям. Впрочем, наиболее вероятное объяснение полученных NASA результатов — это ошибка при исследованиях. Крутильный маятник — сверхчувствительный прибор, и он мог зафиксировать тягу, возникающую, например, при термальном расширении или сжатии устройства.

Работа продолжается

В EmDrive слишком много неясного, чтобы списывать этот двигатель со счетов. Исследователи пока не смогли доказать ни его несостоятельности, ни его работоспособности. Истина, как говорится, где-то рядом.

В 2015—2017 годах проводятся независимые тесты системы в одном из крупнейших исследовательских центров NASA, кливлендском Glenn Research Center. Там систему будут испытывать по схожей с Eagleworks Labs методике. Затем последуют испытания в лаборатории реактивного движения NASA близ Лос-Анджелеса. Наконец, в очередь на исследование встала еще одна группа независимых экспертов — лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (Балтимор), причем они будут использовать не крутильный маятник, а крутильные весы Кавендиша, то есть другой прибор.

Все это говорит о том, что уже к концу следующего года мы будем точно знать, является ли идея Шоуэра космическим прорывом или очередным псевдонаучным безумием. Мы искренне болеем за первое. Но счет, кажется, в пользу второго.

Двухрежимный ядерный двигатель доставит космонавтов на Марс за 45 дней

Георгий Голованов18 января, 13:48

Советский Союз и США десятилетиями исследовали возможности ядерной тяги в космонавтике. Несколько лет назад NASA возродило эту программу и поставило цель разработать двухрежимную двигательную систему, сочетающую ядерный ракетный двигатель с ядерной электродвигательной установкой, которая могла бы обеспечить полет до Марса за 100 дней. Один из предоставленных на рассмотрение вариантов обещает доставить пилотируемый или грузовой корабль к соседней планете в два раза быстрее.

Предложение было выдвинуто профессором Райаном Госсе из Университета Флориды. Оно вошло в 14 лучших идей, которые были выбраны Космическим агентством NASA и получили гранты на дальнейшую разработку технологии, рассказывает Universe Today.

Ядерная тяга сводится, фактически, к двум основным технологиям, испытанным и подтвержденным. В случае ядерного ракетного двигателя цикл состоит из ядерного реактора, нагревающего жидкий водород, который превращается в ионизированный газ, создающий тягу. Однако эта программа была свернута как в США, так и в СССР в прошлом веке.

Ядерный электродвигатель, с другой стороны, основан на ядерном реакторе, вырабатывающем электричество для ионного двигателя, который генерирует электромагнитное поле, ионизирующее и ускоряющее инертный газ. Эта технология обладает рядом преимуществ над традиционным химическим двигателем.

Предложение Гроссе заключается в том, чтобы объединить преимущества двух подходов. Твердотельный реактор обеспечивает удельный импульс в 900 секунд, в два раза больше, чем у современных химических ракет. В цикл также входит нагнетатель волны сжатия — или Волновой ротор — который использует давление в топливе для еще большего сжатия рабочего тела. Это должно создать тягу, сравнимую с показателями ядерного ракетного двигателя, но с удельным импульсом 1400-2000 секунд.

А если соединить этот цикл с электродвигательной установкой, то тягу можно будет увеличить еще больше: удельный импульс рабочего цикла повысится до 1800-4000 секунд при минимальном добавлении сухой массы. «Такая двухрежимная конструкция позволит осуществлять краткосрочные пилотируемые миссии (45 дней до Марса) и преобразит исследования дальнего космоса нашей Солнечной системы», — заявил Гроссе.

Современные технологии не позволяют космонавтам долетать до Марса так быстро. Полет может продолжаться до трех лет, а подходящее время для старта возникает каждые 26 месяцев, когда Марс и Земля максимально сближаются. 45 дней полета позволят сократить миссию до нескольких месяцев, а не лет.

За те же 45 дней обещает доставить на Марс грузовой корабль группа инженеров из США. Они разработала технологию «космического парома» — грузового аппарата, который летит, подталкиваемый лучом инфракрасного лазера. Эту же технологию можно использовать и для полетов за пределы Солнечной системы.

Новый японский ракетный двигатель использует ударные волны в качестве топлива

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) успешно испытало более эффективный тип ракетного двигателя, приводимого в движение ударными волнами. Это тип вращающегося детонационного двигателя (РДЭ), и в ходе испытаний он поднял 30-футовую (8-метровую) одноступенчатую ракету.

Ракета стартовала с космодрома Утиноура в префектуре Кагосима и за четыре минуты поднялась на высоту 146 миль (235 км). В общей сложности полет длился восемь минут. При приземлении агентство извлекло из моря капсулу, содержащую важные данные об испытании, в том числе изображение, показывающее работу RDE класса 500N в космосе:

Источник: JAXA

Это значительный шаг вперед в реализации альтернативных двигательных установок, направленный на снижение затрат и повышение эффективности ракетных двигателей. Есть надежда, что новая конструкция двигателя будет соответствовать требованиям новой космической эры, которая может стать началом исследования дальнего космоса.

Что такое вращающиеся детонационные двигатели?

Традиционно в ракетах для взлета используются химические жидкие компоненты топлива, такие как гидразин, высокоэффективная перекись, азотная кислота, жидкий водород и другие в различных комбинациях.

Обычные ракетные двигатели имеют камеру сгорания, в которой сжигаются запасы топлива, топлива и окислителей для получения горячих выхлопных газов и, в конечном итоге, тяги. При этом используется третий закон движения Ньютона, который гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.

Сжигание является относительно медленным и контролируемым процессом, который также очень хорошо изучен и развит как технология.

С другой стороны, двигатели с вращающейся детонацией используют волны детонации для сжигания смеси топлива и окислителя. Взрывы движутся по кольцевой камере по петле, создавая газы, которые выбрасываются с одного конца кольцеобразного канала для создания тяги в противоположном направлении. Затем распространяется ударная волна от взрыва, закручиваясь и расширяясь примерно в пять раз со скоростью звука. Это, в свою очередь, генерирует высокочастотные ударные волны и волны сжатия, которые можно использовать для создания большего количества детонаций по самоподдерживающейся схеме, чему способствует добавление небольшого количества топлива. В результате этот тип двигателя высвобождает значительно больше энергии из значительно меньшей массы топлива, чем при сгорании.

В аналогичной конструкции, называемой импульсно-детонационным двигателем, двигатель работает в импульсном режиме, чтобы обновлять смесь в камере сгорания между каждой детонационной волной и следующей.

Самый популярный

По данным НАСА, «Ракетные двигатели с импульсной детонацией работают путем впрыска топлива в длинные цилиндры, которые открыты с одной стороны и закрыты с другой. Когда газ заполняет цилиндр, воспламенитель, например свеча зажигания, Топливо начинает гореть и быстро переходит в детонацию или силовой удар. Ударная волна проходит через цилиндр со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука, поэтому сгорание завершается до того, как газ успеет расшириться. выхлоп выходит через открытый конец цилиндра, создавая тягу для транспортного средства».

Ракетные испытания JAXA также включали импульсно-детонационный двигатель в качестве второго двигателя. Трижды он работал в течение двух секунд, а вращающийся детонационный двигатель работал в течение шести секунд при взлете. Тем не менее, тест по-прежнему служил для демонстрации того, что как PDE, так и RDE являются жизнеспособной ракетной технологией.

До сих пор ФДЭ считались хуже РДЭ, потому что в РДЭ волны циклически перемещаются вокруг камеры, а в ФДЭ камеры необходимо продувать между импульсами. Хотя НАСА и другие организации продолжают исследовать использование ПДЭ в качестве ракетных двигателей, до сих пор их полезность была сосредоточена на использовании в военных целях, например, в высокоскоростных разведывательных самолетах. На самом деле, до испытаний JAXA PDE были испытаны только в 2008 году на модифицированном самолете Rutan Long-EZ, построенном Исследовательской лабораторией ВВС США и компанией Innovative Scientific Solutions Incorporated.

Но теперь, когда PDE так хорошо показали себя в космосе наряду с RDE, их применение может быть пересмотрено и, возможно, расширено.

Кроме того, группа исследователей из Университета Центральной Флориды (UCF) недавно провела первую демонстрацию третьего типа детонационного двигателя — детонационного двигателя с наклонной волной (OWDE). Это производит стабильную непрерывную детонацию, фиксированную в пространстве.

Состоит из полой трубки, разделенной на три секции. Первая секция представляет собой камеру смешения, в которой воспламеняется и ускоряется струя водородного топлива, предварительно перемешанного с воздухом. Во второй камере к воздуху под высоким давлением, проходящему по трубе, добавляется водородное топливо сверхвысокой чистоты. Затем трубка сужается, ускоряя смесь до 5,0 Маха, прежде чем отправиться в финальную «испытательную секцию», где происходит детонация. В последней секции воздушно-топливная смесь направляется вверх по наклонной рампе. Взаимодействие волн давления в камере вызывало стабильный непрерывный взрыв, который оставался почти неподвижным. Теоретически двигатель OWDE может позволить летательному аппарату летать со скоростью, в 17 раз превышающей скорость звука.

Как PDE и RDE могут изменить исследование космоса?

Важность PDE и RDE для будущих исследований дальнего космоса обусловлена ​​их преимуществами по сравнению с обычными ракетными двигателями.

Например, по оценкам, RDE обеспечивают удельный импульс, который на 10-15% больше, чем у обычных двигателей. Удельный импульс – это тяга, создаваемая на единицу расхода топлива; это   , обычно выражаемое в фунтах тяги на фунт топлива, используемого в секунду, и является мерой эффективности ракетного двигателя. В целом, RDE хвалят за их способность обеспечивать более высокую производительность и большую тепловую эффективность.

Поскольку для работы им требуется меньше топлива, RDE также могут быть более экономичными и, возможно, позволят сделать ракеты легче. Уменьшив свой вес, ракеты могли достигать больших высот быстрее и эффективнее.

RDE, испытанный JAXA, создавал тягу около 500 ньютонов. Это ничтожно мало по сравнению, например, с ракетой Falcon Heavy от SpaceX, чьи двигатели с 27 двигателями Merlin вместе генерируют более 5 миллионов фунтов тяги при старте, что эквивалентно примерно восемнадцати Боингам 747. Однако, хотя RDE все еще находится на ранних стадиях, инженеры JAXA считают, что в конечном итоге это позволит ракетам использовать меньше топлива и веса. Это может иметь жизненно важное значение для межпланетных миссий.

RDE также исследуются ВМС США на предмет их способности снижать расход топлива. ВВС США также построили экспериментальный RDE, который использует водородное и кислородное топливо для создания тяги около 890 Н.

Между тем, JAXA подсчитало, что ракеты на основе RDE могут быть использованы на практике примерно к 2026 году. .

Саде Агард | 09.10.2022

транспортКак 17-летний подросток произвел революцию в моторе электромобиля — The Blueprint

Элис Кук| 01. 01.2023

наукаРазумные чат-боты, Дуглас Хофштадтер и почему до общего ИИ еще далеко

Эрик Джеймс Бейер| 28.07.2022

Еще новости

инновации
BMW начинает виртуальное производство электромобилей нового поколения с использованием NVIDIA Omniverse

Jijo Malayil| 24.03.2023

Инновация
JP Morgan запускает пилотный проект платежных сервисов с использованием распознавания ладони или лица в США

Мригакши Дикшит| 24.03.2023

инновация
Эта кислородно-ионная батарея может стать батареей будущего

Christopher McFadden| 24 марта 2023

Двигатель на бегущей волне для путешествий в дальний космос — ScienceDaily

Новости науки

от исследовательских организаций

Дата:

17 сентября 2004 г.

Источник:

Лос-Аламосская национальная лаборатория

Резюме:

Ученый из Калифорнийского университета, работающий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, и исследователи из Northrop Grumman Space Technology разработали новый метод выработки электроэнергии для путешествий в дальний космос с использованием звуковых волн.

Поделиться:

Фейсбук
Твиттер
Пинтерест
LinkedIN
Электронная почта

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

ЛОС-АЛАМОС, Нью-Мексико, 16 сентября 2004 г. – Ученый Калифорнийского университета, работающий в Лос-Аламосской национальной лаборатории, и исследователи из Northrop Grumman Space Technology разработали новый метод выработки электроэнергии для путешествий в дальний космос. с помощью звуковых волн. Термоакустический электрический генератор бегущей волны может питать космические зонды в самых дальних уголках Вселенной.

реклама

В исследовании, опубликованном в недавнем выпуске журнала Applied Physics Letters, научный сотрудник лаборатории Скотт Бэкхаус и его коллеги из Northrop Grumman, Эмануэль Твард и Майк Петах, описывают конструкцию термоакустической системы для выработки электроэнергии на борту космического корабля. . Система двигатель бегущей волны/линейный генератор переменного тока похожа на современные термоэлектрические генераторы в том, что она использует тепло от распада радиоактивного топлива для выработки электроэнергии, но более чем в два раза эффективнее.

Новая конструкция представляет собой усовершенствование существующих термоэлектрических устройств, используемых для выработки электроэнергии на борту космических кораблей. Такие устройства преобразуют только 7 процентов энергии источника тепла в электричество. Двигатель бегущей волны преобразует 18 процентов энергии источника тепла в электричество. Поскольку единственным движущимся компонентом устройства, помимо самого газообразного гелия, является поршень, работающий при температуре окружающей среды, устройство обладает высокой надежностью, необходимой для зондов дальнего космоса.

Двигатель бегущей волны — это современная адаптация термодинамического изобретения Роберта Стирлинга XIX века — двигателя Стирлинга — который похож на паровой двигатель, но использует нагретый воздух вместо пара для приведения в движение поршня. Двигатель бегущей волны работает, пропуская газообразный гелий через стопку из 322 дисков из проволочной сетки из нержавеющей стали, называемую регенератором. Регенератор соединен с источником тепла и радиатором, который заставляет гелий расширяться и сжиматься. Это расширение и сжатие создает мощные звуковые волны — во многом так же, как молния в атмосфере вызывает тепловое расширение, вызывающее гром. Эти колеблющиеся звуковые волны в двигателе бегущей волны приводят в движение поршень линейного генератора переменного тока, который вырабатывает электричество.

НАСА финансировало исследования термоакустического электрического генератора бегущей волны.

Лос-Аламосская национальная лаборатория находится в ведении Калифорнийского университета для Национального управления ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США и работает в партнерстве с национальными лабораториями NNSA Sandia и Lawrence Livermore для поддержки NNSA в его миссии.

реклама

История Источник:

Материалы предоставлены Лос-Аламосской национальной лабораторией . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.