admin_ » 07 май 2020, 08:42
Прототип реактивного двигателя сжимает воздух и ионизирует его микроволнами, создавая плазму, которая и толкает его вперед. Это значит, что однажды самолеты смогут летать, используя в качестве топлива только воздух. В первых экспериментах двигатель, работающий только на воздухе, смог поднять стальной шар массой 1 кг, создав тягу, сопоставимую с современными реактивными двигателями.
Воздушный транспорт вносит свой небольшой, но существенный вклад в изменение климата. По данным на сентябрь прошлого года, гражданская авиация ответственная за 2,5% от всей эмиссии парниковых газов. Китайские ученые из Уханьского университета предлагают решение этой проблемы — реактивный двигатель, которому не нужно ископаемое топливо.
Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, ионизированный газ, который существует в природных условиях на поверхности Солнца или в молниях, но его можно получить и искусственным путем. Китайские ученые сжали воздух компрессором и использовали микроволны для ионизации струи воздуха.
Этот метод отличается от предыдущего опыта создания плазменных двигателей одним ключевым параметром — другие плазменные реактивные двигатели, например, космический зонд «Рассвет», используют ксеноновую плазму, которая не может преодолеть силу трения атмосферы Земли и поэтому не обладает достаточной мощностью, чтобы ее можно было применять в авиации. Разработка ученых из Уханя, напротив, генерирует достаточно тяги только из воздуха и электричества.
«Наши результаты показывают, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой современным реактивным двигателями на ископаемом топливе», — заявил ведущий исследователь Джау Тан.
Путь от прототипа, доказывающего жизнеспособность идеи, до реального самолета, взлетающего в небо, разумеется, долог. Пока прототип смог поднять на 2,4 см в воздух стальной шар массой 1 кг. При это он создал тягу, сопоставимую с современными реактивными двигателями.
Тем временем в Штатах прошли испытания «невозможного» ротационного детонационного двигателя, работающего на водороде и кислороде. Его внедрение позволило бы снизить массу верхних ступеней ракет, увеличить дальность полетов и эффективность расходования топлива.
Европейское космическое агентство (ESA) провело первые в мире испытания электрического двигателя, который использует в качестве «топлива» (рабочего тела) молекулы разреженного воздуха. Эта технология известна как Air-Breathing Electric Propulsion или Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). В перспективе такие двигатели можно устанавливать на спутники, которые быстро вращаются на очень низких орбитах. Например, космический аппарат GOCE с ионным двигателем для составления карты земной гравитации 56 месяцев работал на высоте 260 км. Его срок жизни был ограничен запасом ксенона.
EmDrive. По мнению ряда физиков, эта конструкция в принципе не может работать. Это нарушало бы фундаментальный закон природы, сохранение импульса. Другие пытаются найти разумное объяснение того, почему EmDrive все-таки работает, или хотя бы надежные доказательства его работоспособности. Их привлекает зыбкая, но грандиозная цель — двигатель, способный превращать электричество в тягу без топлива или реактивной струи. Или же — окончательное закрытие многолетнего спора. Это гипотетический двигатель, предложенный британским изобретателем Роджером Шойером. Питаясь электричеством, он (по утверждению Шойера и его не слишком многочисленных сторонников) создает слабую тягу без использования рабочего тела. На этот странный факт указывают и некоторые другие эксперименты. Однако вопиющее нарушение закона сохранения импульса заставляет с особой тщательностью подходить к таким заявлениям — и многие эксперты указывают на ошибки в постановке опытов, которые могли создать иллюзию слабой, но существующей тяги. Устроен чудо-двигатель просто, собрать его может любой энтузиаст, осиливший управление паяльником. Он состоит из двух основных деталей: магнетрона и резонатора. Магнетрон — это вакуумная трубка, используемая для генерации излучения в обычной микроволновке. Она состоит из полого цилиндра-анода и центрального волоска-катода. Под действием напряжения с катода вылетают электроны и начинают двигаться по сложным траекториям внутри цилиндра, испуская микроволны. По волноводу они передаются от магнетрона в резонатор, похожий на медное ведро, закрытое крышкой. Как утверждает изобретатель двигателя Роджер Шойер, тут-то и начинается самое интересное. По словам Шойера, главная фишка EmDrive — это форма резонатора. Изобретатель предполагает, что из-за разницы в диаметре передней и задней стенок (как у дна ведра и его крышки) на них действуют разные по величине силы, вызванные стоячей электромагнитной волной в резонаторе. Их равнодействующая и толкает двигатель вперед, создавая тягу, которая направлена в сторону «дна». Впоследствии, после нескольких спорящих с этой идеей сообщений, Шойер уточнил, что реальный механизм несколько сложнее и может быть связан с проявлением эффектов специальной теории относительности (СТО).
Что с ним не так?
В самом деле, если взглянуть на первое объяснение механизма работы двигателя, то окажется, что оно напоминает историю барона Мюнхгаузена, вытащившего себя и коня из болота за волосы. EmDrive — замкнутая система, которая ничего не выбрасывает в окружающее пространство. Такой объект не может увеличивать свой импульс без внешних воздействий, как и Мюнхгаузен не мог увеличить свой, как бы сильно он ни тянул. Сторонники двигателя парируют эти аргументы тем, что можно допустить отталкивание резонатора от вакуумного состояния или же привлечь к объяснению СТО. Однако физики неоднократно отмечали грубость таких оценок или отсутствие в них физического смысла.
Двигатель: Аппарат: Тяга: Принцип работы
Ионный двигатель Dawn (3 шт. на борту) 0,030 Н Рабочее тело: ионизированный ксенон
Фотонный двигатель Прототип Y.K. Bae Corp 0,035 Н Рабочее тело: фотоны 500-киловаттного лазера
Солнечный парус IKAROS 0,002 Н Давление частиц солнечного ветра
Жидкостный ракетный двигатель ЖРД F-1 (5 шт. на 1-й ступени РН Saturn V) 6 700 000 Н Топливная пара: керосин, кислород
EmDrive* - От 0,00002 до 0,4 Н* Источник тяги (если она есть) неизвестен
Но все-таки суть заявлений Шойера состояла не столько в теоретических описаниях, сколько в том, что он якобы зафиксировал реальную тягу от двигателя. На своем сайте исследователь указывает величину тяги примерно в 200−230 мН/кВт — больше, чем у ионных двигателей, которые толкают космические аппараты, выбрасывая ускоренные в электрическом поле заряженные частицы.
Решив, что объяснять эту тягу — дело теоретиков, несколько групп экспериментаторов проверили EmDrive в своих лабораториях. Такую работу проделали исследователи из китайского Северо-Западного политехнического университета и Технического университета Дрездена. Недавно к ним присоединились и авторы статьи, вышедшей в Journal of Propulsion and Power, исследователи из подразделения NASA Eagleworks, которые традиционно занимаются наиболее спорными и «футуристическими» проектами агентства.
Первые тесты дали вроде бы обнадеживающие результаты: на включенное устройство действовала некая сила. Однако ее значение оказалось намного меньше, чем предсказанная Шойером величина, причем чем аккуратнее был поставлен эксперимент, тем меньшая регистрировалась тяга. Но ведь дело в принципе: откуда она может вообще браться? Если не рассматривать путаных объяснений Шойера, то можно выделить несколько побочных процессов, которые теоретически могут обеспечить тягу. Это могут быть потоки воздуха, связанные с нагревом двигателя, или тепловое расширение самой экспериментальной установки. Слабую силу способно создавать отталкивание от зарядов, «оседающих» на стенах тестовой камеры, или взаимодействие EmDrive с магнитными полями проводов, или давление излучения, покидающего резонатор.
С потоками воздуха бороться проще всего — достаточно проводить испытания в вакууме. Такие тесты были проделаны учеными из Дрездена, которые обнаружили тягу на уровне всего 0,02−0,03 мН/кВт — на пределе погрешности измерений. Кроме того, физики отметили, что использовали резонатор (то самое медное «ведро») с невысокой добротностью. Излучение быстро покидало его, увеличивая шансы на вклад других побочных процессов. Сотрудники NASA Eagleworks получили немного бóльшие цифры — 1,2±0,1 мН/кВт. При этом они утверждают, что отследили все возможные источники побочных процессов.
Строго говоря, миллиньютон (мН) — это меньше, чем вес одной песчинки сахара. Но если говорить о реактивном полете в космосе, то даже тяга 1 мН, непрерывно действуя на протяжении нескольких лет, позволяет разогнать 100-килограммовый аппарат до приличных скоростей.
Можно подсчитать, что за десять лет такой зонд разгонится на 3 км/с и (с учетом стартовой второй космической скорости) преодолеет порядка 3,5 млрд км. Но если мы оценим тягу на уровне, который обещает Шойер (200 мН/кВт), то получим ускорение уже до 600 км/с и дистанцию в 660 астрономических единиц — расстояний от Солнца до Земли.
Так — слабо, но очень долго и экономно расходуя рабочее тело — действуют ионные и фотонные двигатели. Первые «выстреливают» в пространство заряженными ионами, разогнанными до десятков километров в секунду. Их тяга может достигать 60 мН/кВт, однако они требуют использовать рабочее тело — обычно запас инертного газа. К примеру, аппарат Dawn, который недавно завершил основную миссию по исследованию Цереры, был вынужден взять на борт 425 кг ксенона.
Представители российского Фонда перспективных исследований объявили о том, что сотрудники специализированной лаборатории "Детонационные РЖД", входящей в состав АО НПО "Энергомаш", произвели первые в истории успешные испытания детонационного жидкостного реактивного двигателя. Такие двигатели, имеющие высокие термодинамические показатели и высокую эффективность, могут стать заменой традиционным ракетным и реактивным двигателям, обеспечивая ракеты-носители и космические корабли новыми способностями и возможностью поднимать на орбиту большее количество полезного груза, снижая количество требующихся на это затрат. Новый полногабаритный прототип детонационного жидкостного реактивного двигателя использует экологически чистое топливо, кислород и керосин. В отличие от обычных двигателей, в которых топливо сгорает непрерывным потоком, в детонационном двигателе воспламенение топлива и окислителя носит взрывной характер. В результате этого возникают поперечные детонационные волны, вращающиеся с частотой порядка 20 кГц, за счет которых и увеличивается эффективность работы двигателя. Испытания "первого в мире полноразмерного детонационного жидкостного реактивного двигателя" производились на протяжении июля и августа этого года. И лишь недавно представители Фонда перспективных исследований опубликовали результаты этих испытаний на официальном веб-сайте. Согласно имеющейся информации, в испытаниях было задействовано три прототипа двигателя, которые разнились вариантами компоновки узлов и компонентов. Эти прототипы сохранили работоспособность на протяжении нескольких пусков каждый в условиях сильнейших механических нагрузок и воздействия сверхвысоких температур. Все это стало возможным благодаря использованию высокотемпературного теплозащитного покрытия с уникальным составом, разработанного и созданного специально для этих целей учеными Центра им. М.В.Келдыша.
Прототип реактивного двигателя сжимает воздух и ионизирует его микроволнами, создавая плазму, которая и толкает его вперед. Это значит, что однажды самолеты смогут летать, используя в качестве топлива только воздух. В первых экспериментах двигатель, работающий только на воздухе, смог поднять стальной шар массой 1 кг, создав тягу, сопоставимую с современными реактивными двигателями.
Воздушный транспорт вносит свой небольшой, но существенный вклад в изменение климата. По данным на сентябрь прошлого года, гражданская авиация ответственная за 2,5% от всей эмиссии парниковых газов. Китайские ученые из Уханьского университета предлагают решение этой проблемы — реактивный двигатель, которому не нужно ископаемое топливо.
Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, ионизированный газ, который существует в природных условиях на поверхности Солнца или в молниях, но его можно получить и искусственным путем. Китайские ученые сжали воздух компрессором и использовали микроволны для ионизации струи воздуха.
Этот метод отличается от предыдущего опыта создания плазменных двигателей одним ключевым параметром — другие плазменные реактивные двигатели, например, космический зонд «Рассвет», используют ксеноновую плазму, которая не может преодолеть силу трения атмосферы Земли и поэтому не обладает достаточной мощностью, чтобы ее можно было применять в авиации. Разработка ученых из Уханя, напротив, генерирует достаточно тяги только из воздуха и электричества.
«Наши результаты показывают, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой современным реактивным двигателями на ископаемом топливе», — заявил ведущий исследователь Джау Тан.
Путь от прототипа, доказывающего жизнеспособность идеи, до реального самолета, взлетающего в небо, разумеется, долог. Пока прототип смог поднять на 2,4 см в воздух стальной шар массой 1 кг. При это он создал тягу, сопоставимую с современными реактивными двигателями.
Тем временем в Штатах прошли испытания «невозможного» ротационного детонационного двигателя, работающего на водороде и кислороде. Его внедрение позволило бы снизить массу верхних ступеней ракет, увеличить дальность полетов и эффективность расходования топлива.
Европейское космическое агентство (ESA) провело первые в мире испытания электрического двигателя, который использует в качестве «топлива» (рабочего тела) молекулы разреженного воздуха. Эта технология известна как Air-Breathing Electric Propulsion или Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). В перспективе такие двигатели можно устанавливать на спутники, которые быстро вращаются на очень низких орбитах. Например, космический аппарат GOCE с ионным двигателем для составления карты земной гравитации 56 месяцев работал на высоте 260 км. Его срок жизни был ограничен запасом ксенона.
EmDrive. По мнению ряда физиков, эта конструкция в принципе не может работать. Это нарушало бы фундаментальный закон природы, сохранение импульса. Другие пытаются найти разумное объяснение того, почему EmDrive все-таки работает, или хотя бы надежные доказательства его работоспособности. Их привлекает зыбкая, но грандиозная цель — двигатель, способный превращать электричество в тягу без топлива или реактивной струи. Или же — окончательное закрытие многолетнего спора. Это гипотетический двигатель, предложенный британским изобретателем Роджером Шойером. Питаясь электричеством, он (по утверждению Шойера и его не слишком многочисленных сторонников) создает слабую тягу без использования рабочего тела. На этот странный факт указывают и некоторые другие эксперименты. Однако вопиющее нарушение закона сохранения импульса заставляет с особой тщательностью подходить к таким заявлениям — и многие эксперты указывают на ошибки в постановке опытов, которые могли создать иллюзию слабой, но существующей тяги. Устроен чудо-двигатель просто, собрать его может любой энтузиаст, осиливший управление паяльником. Он состоит из двух основных деталей: магнетрона и резонатора. Магнетрон — это вакуумная трубка, используемая для генерации излучения в обычной микроволновке. Она состоит из полого цилиндра-анода и центрального волоска-катода. Под действием напряжения с катода вылетают электроны и начинают двигаться по сложным траекториям внутри цилиндра, испуская микроволны. По волноводу они передаются от магнетрона в резонатор, похожий на медное ведро, закрытое крышкой. Как утверждает изобретатель двигателя Роджер Шойер, тут-то и начинается самое интересное. По словам Шойера, главная фишка EmDrive — это форма резонатора. Изобретатель предполагает, что из-за разницы в диаметре передней и задней стенок (как у дна ведра и его крышки) на них действуют разные по величине силы, вызванные стоячей электромагнитной волной в резонаторе. Их равнодействующая и толкает двигатель вперед, создавая тягу, которая направлена в сторону «дна». Впоследствии, после нескольких спорящих с этой идеей сообщений, Шойер уточнил, что реальный механизм несколько сложнее и может быть связан с проявлением эффектов специальной теории относительности (СТО).
Что с ним не так?
В самом деле, если взглянуть на первое объяснение механизма работы двигателя, то окажется, что оно напоминает историю барона Мюнхгаузена, вытащившего себя и коня из болота за волосы. EmDrive — замкнутая система, которая ничего не выбрасывает в окружающее пространство. Такой объект не может увеличивать свой импульс без внешних воздействий, как и Мюнхгаузен не мог увеличить свой, как бы сильно он ни тянул. Сторонники двигателя парируют эти аргументы тем, что можно допустить отталкивание резонатора от вакуумного состояния или же привлечь к объяснению СТО. Однако физики неоднократно отмечали грубость таких оценок или отсутствие в них физического смысла.
Двигатель: Аппарат: Тяга: Принцип работы
Ионный двигатель Dawn (3 шт. на борту) 0,030 Н Рабочее тело: ионизированный ксенон
Фотонный двигатель Прототип Y.K. Bae Corp 0,035 Н Рабочее тело: фотоны 500-киловаттного лазера
Солнечный парус IKAROS 0,002 Н Давление частиц солнечного ветра
Жидкостный ракетный двигатель ЖРД F-1 (5 шт. на 1-й ступени РН Saturn V) 6 700 000 Н Топливная пара: керосин, кислород
EmDrive* - От 0,00002 до 0,4 Н* Источник тяги (если она есть) неизвестен
Но все-таки суть заявлений Шойера состояла не столько в теоретических описаниях, сколько в том, что он якобы зафиксировал реальную тягу от двигателя. На своем сайте исследователь указывает величину тяги примерно в 200−230 мН/кВт — больше, чем у ионных двигателей, которые толкают космические аппараты, выбрасывая ускоренные в электрическом поле заряженные частицы.
Решив, что объяснять эту тягу — дело теоретиков, несколько групп экспериментаторов проверили EmDrive в своих лабораториях. Такую работу проделали исследователи из китайского Северо-Западного политехнического университета и Технического университета Дрездена. Недавно к ним присоединились и авторы статьи, вышедшей в Journal of Propulsion and Power, исследователи из подразделения NASA Eagleworks, которые традиционно занимаются наиболее спорными и «футуристическими» проектами агентства.
Первые тесты дали вроде бы обнадеживающие результаты: на включенное устройство действовала некая сила. Однако ее значение оказалось намного меньше, чем предсказанная Шойером величина, причем чем аккуратнее был поставлен эксперимент, тем меньшая регистрировалась тяга. Но ведь дело в принципе: откуда она может вообще браться? Если не рассматривать путаных объяснений Шойера, то можно выделить несколько побочных процессов, которые теоретически могут обеспечить тягу. Это могут быть потоки воздуха, связанные с нагревом двигателя, или тепловое расширение самой экспериментальной установки. Слабую силу способно создавать отталкивание от зарядов, «оседающих» на стенах тестовой камеры, или взаимодействие EmDrive с магнитными полями проводов, или давление излучения, покидающего резонатор.
С потоками воздуха бороться проще всего — достаточно проводить испытания в вакууме. Такие тесты были проделаны учеными из Дрездена, которые обнаружили тягу на уровне всего 0,02−0,03 мН/кВт — на пределе погрешности измерений. Кроме того, физики отметили, что использовали резонатор (то самое медное «ведро») с невысокой добротностью. Излучение быстро покидало его, увеличивая шансы на вклад других побочных процессов. Сотрудники NASA Eagleworks получили немного бóльшие цифры — 1,2±0,1 мН/кВт. При этом они утверждают, что отследили все возможные источники побочных процессов.
Строго говоря, миллиньютон (мН) — это меньше, чем вес одной песчинки сахара. Но если говорить о реактивном полете в космосе, то даже тяга 1 мН, непрерывно действуя на протяжении нескольких лет, позволяет разогнать 100-килограммовый аппарат до приличных скоростей.
Можно подсчитать, что за десять лет такой зонд разгонится на 3 км/с и (с учетом стартовой второй космической скорости) преодолеет порядка 3,5 млрд км. Но если мы оценим тягу на уровне, который обещает Шойер (200 мН/кВт), то получим ускорение уже до 600 км/с и дистанцию в 660 астрономических единиц — расстояний от Солнца до Земли.
Так — слабо, но очень долго и экономно расходуя рабочее тело — действуют ионные и фотонные двигатели. Первые «выстреливают» в пространство заряженными ионами, разогнанными до десятков километров в секунду. Их тяга может достигать 60 мН/кВт, однако они требуют использовать рабочее тело — обычно запас инертного газа. К примеру, аппарат Dawn, который недавно завершил основную миссию по исследованию Цереры, был вынужден взять на борт 425 кг ксенона.
Представители российского Фонда перспективных исследований объявили о том, что сотрудники специализированной лаборатории "Детонационные РЖД", входящей в состав АО НПО "Энергомаш", произвели первые в истории успешные испытания детонационного жидкостного реактивного двигателя. Такие двигатели, имеющие высокие термодинамические показатели и высокую эффективность, могут стать заменой традиционным ракетным и реактивным двигателям, обеспечивая ракеты-носители и космические корабли новыми способностями и возможностью поднимать на орбиту большее количество полезного груза, снижая количество требующихся на это затрат. Новый полногабаритный прототип детонационного жидкостного реактивного двигателя использует экологически чистое топливо, кислород и керосин. В отличие от обычных двигателей, в которых топливо сгорает непрерывным потоком, в детонационном двигателе воспламенение топлива и окислителя носит взрывной характер. В результате этого возникают поперечные детонационные волны, вращающиеся с частотой порядка 20 кГц, за счет которых и увеличивается эффективность работы двигателя. Испытания "первого в мире полноразмерного детонационного жидкостного реактивного двигателя" производились на протяжении июля и августа этого года. И лишь недавно представители Фонда перспективных исследований опубликовали результаты этих испытаний на официальном веб-сайте. Согласно имеющейся информации, в испытаниях было задействовано три прототипа двигателя, которые разнились вариантами компоновки узлов и компонентов. Эти прототипы сохранили работоспособность на протяжении нескольких пусков каждый в условиях сильнейших механических нагрузок и воздействия сверхвысоких температур. Все это стало возможным благодаря использованию высокотемпературного теплозащитного покрытия с уникальным составом, разработанного и созданного специально для этих целей учеными Центра им. М.В.Келдыша.