В начале этой недели стало известно, что британский инженер Роджер Шойер (Roger Shawyer) получил патент на обновленную версию созданного им двигателя EmDrive. Она отличается от предыдущей наличием пластины из высокотемпературного сверхпроводника, который, по мнению автора, увеличит эффективность EmDrive. Но, несмотря на выданный патент, до сих пор никто не смог дать безупречное объяснение, почему этот двигатель работает. С точки зрения физики работа EmDrive невозможна, так как она нарушает закон сохранения импульса. Впрочем, эксперименты, в которых демонстрировалась тяга, создаваемая EmDrive, тоже выглядят далеко не убедительными. Так что, говоря откровенно, неясно, имеем ли мы дело с принципиально новым двигателем или же вся эта история – большая ошибка.
По назначению EmDrive представляет собой электрический ракетный двигатель. Согласно замыслу Роджера Шойера, он должен использоваться для космических полетов. Внешне EmDrive напоминает ведро. В его конструкцию входят генератор электромагнитных волн – магнетрон, принципиально не отличающийся от тех, что стоят в кухонных микроволновых печках, а также резонатор, который эти волны улавливает. По словам Шойера, подтвержденным некоторыми экспериментами, при отражении волн в резонаторе двигатель развивает небольшую тягу, хотя из него не вылетает никаких частиц, которыми можно было бы ее объяснить. С точки зрения закона сохранения импульса, этот двигатель работать не должен.
История двигателя началась в 2001 году, когда Роджер Шойер основал компанию Satellite Propulsion Research Ltd. Ему удалось получить грант на свои разработки от департамента торговли и промышленности Великобритании. На следующий год Шойер объявил о создании рабочего прототипа двигателя, который развивает тягу около 0,02 ньютона при мощности магнетрона 850 ватт. Двигатель мог работать всего несколько секунд, так как потом магнетрон выходил из строя из-за перегрева. Забегая вперед, скажем, что ни в одном независимом эксперименте по проверке работы EmDrive не удалось даже приблизиться к названному Шойером значению силы тяги. Даже там, где работу двигателя действительно обнаруживали, речь шла о микроньютонах не более.
К осени 2006 года Шойер разработал систему водяного охлаждения и (опять-таки, по его словам) увеличил тягу двигателя до 0,1 ньютона. 8 сентября журнал New Scientist вышел с портретом ученого на обложке, а в статье двигатель был назван правдоподобным. Шойер намеревался к 2009 году подготовить двигатель для испытаний в космосе.
Публикация New Scientist вызвала значительный резонанс. Австралийский писатель-фантаст Грег Иген (Greg Egan) написал возмущенное открытое письмо, где обвинял журнал в «тяге к сенсациям и отсутствии базовых знаний». По словам Игена, он был «ошеломлен уровнем научной безграмотности авторов», а публикация представляла собой реальную угрозу для понимания науки обществом. Письмо Игена поддержал специалист по математической физике из Калифорнийского университета Джон Баэз (John C. Baez), разместивший его в своем блоге. Специалист по анализу данных Джон Костелла (John P. Costella), имеющий научную степень по теоретической физике, написал опровержение статьи в New Scientist, где объяснял, почему двигатель работать не может.
Редакция журнала признала, что ей следовало бы четче сообщить читателям, что двигатель Шойера нарушает законы физики, и не утаивать тот факт, что несколько ученых отказались дать комментарий по этому поводу, сочтя концепцию двигателя слишком спорной. Но редакторы подчеркнули, что работа EmDrive – феномен, доступный для экспериментальной проверки, и выразили надежду, что такая проверка вскоре последует. Тем не менее, журнал опубликовал несколько критических отзывов о проекте EmDrive.
В 2007 году фирма Роджера Шойера получила лицензию на экспорт технологии в США. Шойер выступил с презентацией проекта в Пентагоне и заключил контракт с компанией «Боинг», который предусматривал создание двигателя и испытание его на спутнике Земли. В 2010 году Шойер объявил, что двигатель с тягой около 0,19 ньютона был завершен и передан компании «Боинг». После этого Satellite Propulsion Research не получала экспортных лицензий и связь ее с «Боингом» прервалась. В 2012 году представитель компании «Боинг» в ответ на вопрос об этих испытаниях, сказал, что научно-исследовательское подразделение компании Boeing Phantom Works действительно занималось изучением необычных проектов космических двигателей, в том числе и EmDrive, но такая работа была прекращена, и теперь компания не сотрудничает с Шойером и не заинтересована в этом проекте. Никаких сведений об испытаниях двигателя сообщено не было.
В 2013 и 2014 годах Роджер Шойер представлял свой двигатель на Международных конгрессах по астронавтике, а статья, основанная на его презентации 2014 года, на следующий год вышла в журнале Acta Astronautica. Теперь, после получения патента на новую конструкцию, Шойер объявил о намерении создать новую фирму по производству таких двигателей Universal Propulsion Ltd., объединившись с небольшой британской компанией Gilo Industries Group, которая производит двигатели для парапланов и Parajet SkyCar – комбинацию квадроцикла и параплана. Изобретатель по-прежнему планирует провести испытания своего двигателя в космосе.
Независимо проверить доводы Лоренца пытались трижды. В 2008 году команда китайских исследователей во главе профессором Цюанем Яном из Северо-западного политехнического университета в городе Сиань разработала теорию, объясняющую работу двигателя, а к 2010 году создала прототип установки. Для магнетрона, мощностью 2500 ватт им удалось добиться тяги в 720 миллиньютонов. Результат был более чем воодушевляющий, но в последующие годы профессор Ян не смог ни разу его воспроизвести и, в конце концов, пришел к выводу, что в 2010 году имела место ошибка эксперимента. Однако он не прекратил усилий и в 2016 году опубликовал статью с описанием результатов новых, более совершенных по методике, испытаний. Тяга вновь была обнаружена, но была значительно меньше. В одном испытании (при использовании внешнего источника питания) она составляла 8-10 миллиньютонов, во втором – 3 ± 0,7 миллиньютона с неопределенностью измерений 80%. Как признали китайские ученые в своей статье, этих данных недостаточно для подтверждения реальной работы двигателя, так как обнаруженная тяга очень мала и может быть результатом погрешности измерений или внешних тепловых или магнитных эффектов.
Вторая группа исследователей, проверявших EmDrive, работает в лаборатории НАСА Eagleworks в Космическом центре имени Линдона Джонсона. Возглавляет лабораторию Гарольд Уайт. Его коллектив специализируется на проверке различных маргинальных физических теорий, которые потенциально могут привести к разработке нового типа ракетных двигателей. Серия испытаний происходила в 2011 – 2015 годах. По предварительным сообщениям 2014 года, тяга была обнаружена и составляла в среднем 91,2 микроньютона, а в самом удачном случае 116 микроньютонов (примерно соответствует весу рисового зерна). Результаты подвергли справедливой критике из-за того, что не были исключены возможные внешние воздействия на двигатель. Например, эксперимент проводился не в вакууме, что позволяло тепловым воздушным потокам воздействовать на EmDrive. При столь небольших значениях силы они могли сыграть главную роль. К тому же полученные значения всего лишь в три раза превосходили погрешность измерений.
На следующий год последовали результаты, полученные уже в вакууме, тяга составила около 50 мкН, но проявлялась столь краткое время, что для уверенности в успехе его было недостаточно. Лаборатория Eagleworks объявила о планах модернизировать оборудование, повысив мощность магнетрона, что позволит, наконец, разобраться с этой проблемой.
В сентябре 2016 года стало известно, что новая статья сотрудников Eagleworks об испытаниях двигателя будет опубликована в рецензируемом научном журнале Journal of Propulsion and Power. Выход статьи ожидается в декабре. По предварительным данным, была показана тяга 1,2 ± 0,1 миллиньютона, что значительно больше, чем в предыдуших опытах.
Также проверкой EmDrive летом 2015 года занимались немецкие физики из Дрезденского технологического университета под руководством Мартина Таймара (Martin Tajmar). Они испытали в вакууме двигатель с магнетроном мощностью 700 Вт, получив тягу около 20 микроньютонов. Им удалось обнаружить и исключить некоторые источники посторонних эффектов, например, воздействие постоянных магнитов, использовавшихся для подавления вихревых токов в крутильных весах, на которых определялась тяга, или же электрическое поле проводов, по которым подается питание. Однако они считают, что далеко не все такие эффекты были учтены, так что при столь низком показателе ученые не могут утверждать, что им удалось подтвердить или опровергнуть работоспособность двигателя. Они намерены продолжить эксперименты, улучшая изоляцию двигателя от посторонних электромагнитных полей.
Так что ни один из независимых экспериментов не подтвердил возможность функционирования такого двигателя. Теоретические обоснования EmDrive, хотя их появилось уже несколько, тоже остаются противоречивыми и убедительными. Сам создатель EmDrive объясняет его действие силой Лоренца, но в его доказательствах другие специалисты находят серьезные упущения. Другие выдвинутые объяснения требуют наличия особых эффектов, которое еще предстоит доказать.
Тем временем, параллельно с Роджером Шойером двигатель подобного типа разработал американский инженер Гвидо Фетта (Guido Fetta), назвав его Cannae Drive. Его испытаниями тоже занимаются в Eagleworks примерно с таким же успехом.
Двигатели типа EmDrive были бы большим достижением для космонавтики, ведь они могут работать без расходуемого топлива, была бы только электроэнергия для магнетрона. Теоретически эти двигатели могли бы значительно ускорить путешествия в космосе, например, от Земли до Луны стало бы возможно долететь всего за четыре часа, а путь до альфы Центавра занял бы менее сотни лет. Но, увы, пока убедительных доказательств их работоспособности не представлено.
polit.ru
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.
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.
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.
habr.com
EmDrive — совершенно новый тип двигателя для космических аппаратов, который был предложен инженером Роджером Шоером (Roger Shawyer). Главными его частями являются магнетрон и резонатор высокой добротности. Несмотря на то, что, на первый взгляд, этот двигатель нарушает фундаментальные физические законы, тестирование, проведённое в NASA Eagleworks, показало работоспособность концепции. Кроме того, модель EmDrive была протестирована и китайскими учёными; все опыты показали наличие пусть и небольшой, но вполне регистрируемой тяги.
Ниже — различные протестированные варианты EmDrive:----------------------<cut>----------------------
Интересные результаты были получены в диапазоне от 50 до 900 миллиньютон, и на текущий момент исследователи полагают, что эффект поддаётся масштабированию с увеличением питающей двигатель мощности. Сам создатель EmDrive считает возможным создание сверхпроводящей версии EmDrive с тягой 300 ньютон на киловатт, запитываемой от радиоизотопного генератора или компактного ядерного реактора. Берём на себя наглость предположить, что для такого рода миссии хорошо подойдёт компактный термоядерный реактор, разрабатываемый в лаборатории Skunk Works.
Проект беспилотного зонда для миссии к Альфе Центавра
При мощности порядка 200 киловатт считается возможным создание беспилотного зонда, способного достичь системы Альфы Центавра за 10 лет. Максимальная скорость такого зонда составит порядка 60 % скорости света — цифра совершенно фантастическая для современной космической техники, составляющая 180 тысяч километров в секунду.
Предполагаемые разгонные характеристики зонда: 
Однако для обеспечения тяги порядка 300 ньютон на киловатт потребуется увеличение соотношения затрачиваемой энергии к тяге в 300 раз. Экспериментальные установки демонстрируют статическую тягу, однако концепция EmDrive всё ещё вызывает множество вопросов и вряд ли будет принята научным сообществом без успешной демонстрации такого двигателя в рабочих условиях.
Так выглядит текущий прототип EmDrive:
В настоящее время ведётся разработка и испытания прототипа EmDrive, который можно будет испытать на существующих типах спутниковых аппаратов. В установке используется магнетрон мощностью 1,2 киловатта с водяным охлаждением. В настоящее время проведено уже 134 теста, максимальная зафиксированная приборами тяга составила 214 миллиньютон на киловатт. Вопросов остаётся по-прежнему много, но всё же не исключено, что перед нами действительно будущее земной космонавтики.
Принцип работы EmDrive, если кратко: Это двигатель, создающий тягу без выброса реактивной массы, якобы плюющий на законы сохранения импульса и осуществляющий кротовый подход под закон сохранения энергии, черпая силы из мира виртуальных частиц. Никакого "топлива" в классическом понимании ему не нужно, только энергия, чем больше, тем лучше.Прототипом оного девайса является обычная микроволновка, с оторванной дверцей. Перспективен еще и тем, что на порядки безопаснее различных вариаций аннигиляционных, ядерных, и прочих подобных конструкций, поскольку защитить чувствительное электронное оборудование (и человека) — от микроволнового излучения не в пример легче.
txapela.ru
В течение нескольких лет ученые ведут обсуждение «невозможного двигателя» EmDrive, который дает «лишнюю» тягу, которая берется как бы из ниоткуда. Его многократно проверяли, как обычные энтузиасты, так и ученые из НАСА. Каждый раз оказывалось, что двигатель хотя бы и очень малую тягу, но дает. И это каждый раз вызывало удивление и непонимание экспертов.
На днях стало известно о результатах проверки «невозможных» двигателей (не только EmDrive) со стороны ученых из Дрезденского технического университета. Результаты неутешительны для тех, кто уже собирался лететь на EmDrive к звездам. Ученые, проводившие эксперименты, уверены, что тяга возникает из-за плохого экранирования двигателя. EmDrive был представлен широкой общественности в 1999 году Роджером Шойером. На Geektimes он неоднократно описывался. В частности, говорилось, что конструкция двигателя — это несколько элементов, включая несимметричный резонатор и магнетрон. Последний направляет на резонатор электромагнитное излучение, провоцируя появление стоячих электромагнитных волн. Из-за того, что конструкция несимметрична, волны создают разное давление на стенки двигателя и дают тягу.
Ранее утверждалось, что работа двигателя нарушает закон сохранения импульса. Два года назад НАСА опубликовало результаты исследования двигателя. Тогда ученые выяснили, что в случае подведения электрической мощности в 60 Вт двигатель дает тягу около 80 микроньютонов. После того, как столь авторитетная организация опубликовала такие результаты, с ними уже мало кто хотел спорить, хотя до этого момента большое количество ученых подвергали сомнению существование тяги.
Относительно недавно к хору голосов, ратующих за «двигатель нового типа» присоединились и китайцы, которые заявили, что EmDrive работает. Тем самым они подтвердили результаты опытов их коллег из НАСА. Сообщалось даже, что ученые из КНР решили испытать двигатель на орбите Земли.
Сейчас возможности двигателя решили изучить специалисты под руководством Мартина Таймара из Дрезденского университета. Они использовали для измерения тяги двигателей при помощи специализированной установки, разработанной более четырех лет назад и с тех пор непрерывно совершенствующейся. Это нечто вроде крутильных весов, которые были изобретены в конце XVIII века, их использовали для проверки и измерений законов Кулона и Ньютона. Правда, если в обычных крутильных весах использовалась нить, то в разработке немцев установлены чувствительные крутильные пружины, удерживающие камеру с двигателем. Смещение камеры измеряется при помощи лазерного интерферометра.
Точность устройства настолько высока, что оно позволяет зафиксировать силу тяги величиной в несколько микроньютонов. Для того, чтобы обеспечить чистоту экспериментов, ученые решили снизить до минимума влияние факторов, которые могли бы дать лишнюю тягу. Для этого двигатель поместили в условия почти полного вакуума, установили систему мониторинга микроклимата установки и защитили двигатель от наводок при помощи дополнительных экранов.
Несмотря на все принятые меры предосторожности двигатель продолжал работать, его тяга составила около 4 микроньютонов. Это даже несколько больше, чем показывали результаты нескольких других экспериментов. Но проблема в том, что были зафиксированы и смещения камеры. Хуже всего для стройной теории «невозможного двигателя» то, что тяга сохранялась даже в том случае, если электромагнитные колебания внутри подавлялись.
По мнению специалистов все это потому, что никакой неучтенной тяги нет, а проблема — с внешними факторами, пускай и малозаметными. Один из факторов — магнитное поле Земли. Выше уже говорилось, что несмотря дополнительную защиту двигателя экранами тяга все равно появлялась. Поэтому и был сделан вывод о тяге в качестве проявления воздействия магнитного поля Земли.
Кроме EmDrive испытывались и другие двигатели, включая двигатель Маха, который был предложен Джеймсом Вудвартом в 1990 году. Здесь для работы используются принцип, что инерционная масса тела возникает лишь за счет гравитационного взаимодействия со всеми телами Вселенной. Взаимодействие изменяется в том случае, если колеблются отдельные части тела, что позволяет колебаться и массе тела. Если подобрать изменения установив определенный порядок, можно добиться тяги. Тяга получилась тоже небольшой — что-то около 1,2 микроньютона. Но как оказалось величина тяги все равно зависела от угла поворота двигателя, что указывает на наличие внешних факторов, как и в случае с EmDrive.
Пока что доказательства «неработоспособности» двигателей являются лишь косвенными, но ученые работают над тем, чтобы ознакомить со своим трудом других коллег. Многие ученые и раньше высказывались в отношении работы EmDrive в том духе, что несмотря на то, что внешний фактор, который обеспечивает «лишнюю» тягу, пока не найден, вся конструкция не может нарушать законы физики. Речь идет либо о погрешности, либо о том самом неучтенном факторе. Единороги — не существуют, как бы нам того ни хотелось.
habr.com
