“Безопорное” движение как результат нескомпенсированной силы. Особенности реактивного движения. Электродинамические и фотонные безопорные двигатели
Ивченков Геннадий
Reactive jet and electrodynamic propulsions have been analyzed. It was shown that reactive forces are developed by non-compensated forces, not by jet reaction, which is even more obvious for electrodynamic (electromagnetic) thrusters. It is shown that some of electrodynamic thrusters using internal magnetic field can operate in reactionless manner. Also, it was shown that photonic propulsion engines and radio antennas having asymmetrical directional pattern can operate as reactionless thrusters too.
1. Введение
Несмотря на то, что официальная наука считает, что безопорного движения не бывает, так как это нарушает 3-й закон Ньютона, время от времени этот вопрос снова поднимается, что связано с появлением механических и электродинамических устройств, в работе которых ряд автров усматривает элементы безопорного движения. Некоторые из них при более подробном рассмотрении оказываются вполне “опорными”, а вот принципы работы других позволяют предположить, что на их основе можно сделать движители не образующие реактивной струи и не расходующие рабочего тела. К ним, в частности, можно отнести электроразрядный движитель постоянного тока и электродинамический конденсаторный движитель переменного тока, которые подробно рассмотрены в данной статье, а также фотонный двигатель.
Данная статья является исправленным и дополненным продолжением статьи [9].
2. Кратко о ракетных двигателях
Вначале определимся с формулировками. Двигатель состоит из источника силы (тяги) - движителя и источника энергии, питающего движитель. В некоторых случаях, как например, в ракетном двигателе, движитель и источник совмещены. В других случаях - это отдельные агрегаты. Например, в электроракетных двигателях они разделены и источником энергии может являться солнечная батарея, атомный реактор и т.п.
Кратко остановимся на классических представителях реактивного движения - ракетных двигателях {1, 2, 3].
Как известно, тяга ракетных двигателей может быть определена двумя путями:
· из уравнения импульс силы - количества движения,
· из интеграла сил давления, приложенных к камере сгорания двигателя.
В первом случае берется уравнение импульса силы - количества движения в форме Эйлера:
(2.1)
Отсюда следует, что сила тяги двигателя равна
(2.2)
где V - скорость истечения газов, а - массовый расход топлива. Эта формула справедлива для так называемого “рабочего режима”, когда внешнее давление и давление газов на срезе сопла равны. В большенстве случаев, в частности, в вакууме, это условие не выполняется.
Во втором случае определяется интеграл сил давления, приложенных внутри и снаружи к камере сгорания. Возникновение тяги в данном случае можно проиллюстрировать следующим образом:
Предположим, что некий баллон находится под давлением. В этом случае силы давления приложены равномерно по всей внутренней поверхности баллона. Баллон растянут, силы, приложенные к противоположным стенкам баллона скомпенсированы и баллон неподвижен. Проделаем отверстие в баллоне. В результате получается нескомпенсированная сила, равная давлению (избыточному) в баллоне умноженному на площадь отверстия. В ракетной технике эта сила называется “основной составляющей тяги”.
Если давление в баллоне поддерживать каким-либо образом, то баллон будет работать как ракетный двигатель. Это рассуждение является, конечно, приближенным и не учитывает изменения статического давления газа за счет разгона потока, тяга, при этом, тяга получается больше чем “основная составляющая” примерно в 1,3 - 2 раза. Причем, тяга не зависит от топлива - это может быть все, что угодно: и горячие продукты горения и холодный сжатый газ, главное, чтобы поддерживалось давление в камере. То есть, выходит, что реактивная струя тут совсем не причем, она не создает тяги и тяга не является реакцией на движение струи. А вот поддержание давления требует непрерывной подачи топлива и его расход очень сильно зависит от его термодинамических характеристик, а термодинамические процессы расширения газа в свою очередь вызывают разгон струи. Это (и формула Мещерского-Циолковского ), в основном, относится к ракетам, несущим все компоненты топлива на борту. В ракетной технике используется комплексный параметр ракетного двигателя, определяющий его эффективность, который называется “удельным импульсом” или “удельной тягой”. Это отношение тяги двигателя ( в Кг силы) к массовому расходу топлива (в кг массы/сек): , где - массовый расход, а F - тяга двигателя, которое у лучших двигателей достигает 450, но, если компоненты не везти на борту, а брать, например, снаружи, то удельный импульс очень существенно возрастает. Например, воздушно-реактивные двигатели, использующие забортный воздух как окислитель, имеют удельный импульс порядка 3000 (Кг тяги/кг массы израсходованного бортового топлива за секунду), в то время, как лучший результат для кислород- водородных ракетных двигателей не превышает 450 - 460. То есть, если каким-либо образом удасться дистанционно доставлять компоненеты для ракетного двигателя или брать их снаружи, то его удельный импульс будет стремиться к бесконечности.
Таким образом, ракетные двигатели теоретически могут обеспечить космическому аппарату любую, ничем не ограниченную скорость, а формула Мещерского - Циолковского не является фундаментальной и применима только для случая, когда ракета везет все компоненты с собой.
В реактивном движении имеют место несколько парадоксов, которые подтверждают изложенные выше положения:
· Предположим, что ракета каким либо образом доставлена в некую точку над землей. После этого включается ракетный двигатель таким образом, что тяга была равна весу ракеты. Двигатель работает, а ракета не двигается с места. При этом ни кинетическая, ни потенциальная энергии ракеты не меняются (потенциальная даже уменьшается по мере выработки топлива), а, в то же время, ракета расходует энергию на разгон струи (, где M - масса топлива, V - скорость струи). Таким образом, ракета расходует энергию впустую! Ситуация становится понятной если считать, что тяга создается только НЕСКОМПЕНСИРОВАННОЙ силой. Что происходит со струей вне двигателя никак не отражается на движении ракеты. Если продукты сгорания недорасширены, то струя продолжает расширятся в атмосфере, создавая светящийся контур - идеальное продолжение сопла, которое сменяется светящимся контуром дозвуковой части сопла, затем, сверхзвуковой частью и так далее несколько раз («Бочки Маха»). Кроме того, одни из стартовых потерь ракеты, так называемые «гравитационные потери», действуют только во время работы двигателя.
· Кроме того, известно, что ракета может развивать скорость больше, чем скорость истечения струи. Выходит, что ракета тащит струю за собой? Ситуация, опять же, становится понятной если предположить, что тяга создается нескомпенсированной силой и процессы, происходящие со струей вне двигателя на него никак не влияют.
· Другим примером того, что тяга создается нескомпенсированной силой является «тепловая камера сгорания» (точнее, «полутепловая»), представляющая собой трубу со сверхзвуковым соплом (). В ней разгон потока до звуковой скорости происходит за счет подвода тепла, а сверхзвуковой разгон - за счет расширения струи в сопле. Скорость истечения струи в таком двигателе такая же, как в двигателях с дозвуковым конфузорным соплом (), но тяга получается меньше, так как в дозвуковой части присутствует только «основная составляющая тяги».
Таким образом, получение тяги ракетным двигателем и разгон струи - это совершенно разные процессы в которых сила приложена к двум разным объектам.
Это особенно очевидно в случае электродинамических двигателей, основанных на силе Лоренца.
3. Электродинамические движители
Электродинамические движители постоянного тока с проводящей средой и постоянным магнитным полем
Электродинамические ракетные двигатели известны уже несколько десятилетий [4] и используются в космических аппаратах для ускорения и стабилизации орбиты, но, хотя их теория, рассчет и конструкция известны, не все особенности их работы были достаточно проанализированы. Предметом данной статьи является электродинамические ракетные двигатели использующие силу Лоренца, которые могут быть преобразованы в безопорные, не потребляющие и не разгоняющие никакого рабочего тела (за исключением, возможно, эфира).
Рассмотрим силы, приложенные к замкнутому контуру с током, находящемуся в однородном магнитном поле (полем, создаваемым контуром пренебрегаем).
Рис. 1
В таком контуре течет ток равный (3.1.1)
где - сопротивление контура, - внутренне сопротивление источника . Очевидно, что в данном случае контур равномерно растянут, силы скомпенсированы и, следовательно, контур неподвижен. При этом сила, приложенная к элементу проводника определяется по формуле [5, 6]:
(3.1.2)
(при , магнитным полем самого контура пренебрегаем).
Поменяем направление внешнего магнитного поля - контур будет равномерно сжат и, все равно, останется неподвижен.
Теперь, обрежем часть контура. Сопротивление возрастает до бесконечности и ток, соответственно, становится равным нулю. Поместим разомкнутые концы контура в проводящую жидкость или газ.
Рис. 2
Теперь контур снова замкнут, но через проводящую среду, никак механически не связанную с контуром. Ток, текущий в контуре определяется по той же формуле (3.1.1) , где зависит от сопротивления проводящей среды.
Очевидно, что силы и , приложенные к боковым проводникам компенсируют друг друга. В то же время, силы и , равные по величине, приложены в противоположных направлениях к переднему проводнику и к проводящей жидкости. Так как проводящая жидкость или газ механически не связаны с контуром, то эти силы не скомпенсирваны - сила приложена к контуру, а сила - к жидкости (газу). Таким образом, контур разгоняется в одном направлении, а жидкость (газ) в противоположном. Силы и определяются по формуле:
(3.1.3)
где L - длина пути тока в жидкости (газе).
Все это выглядит как реактивное движение и на этом принципе работают электроракетные двигатели на лоренцевой силе. Но, если в случае газодинамического ракетного двигателя газ непосредственно контактирует с оболочкой камеры сгорания, обеспечивая тягу, то в данном случае механический контакт отсутствует и проводящая среда нужна только для пропускания тока (замыкания контура) и ее разгон никак не сказывается на силе, приложенной к контуру. В то же время, проводящая среда разгоняется и безвозвратно улетает в противоположном направлении. Достать и сохранить ее не представляется возможным, так как в таком случае ее количество движения будет вычитаться из количества движения контура и в пределе (когда вся проводящая среда возвращается назад) система остановится.
Таким образом, тягу в электроракетных двигателях создает не реактивная струя, а нескомпенсированная сила, приложенная к внутреннему электрическому контуру двигателя. Точно такая же сила приложена к проводящей среде и, таким образом, количества движения контура и разогнанной среды оказываются равны, что формально выглядит как реактивное движение.
Точно также работает униполярный мотор, крутящий и линейный.
Рис. 3
В данном случае проводящей средой, не связанной механически с контуром, является диск или пластина и одинаковые силы приложены и к диску (пластине) и к внешнему контуру, но в противоположных направлениях. Таким образом, диск вращается в одну сторону, а контур - в другую. Если закрепить контур, то будет вращаться один диск, а если закрепить диск то вращаться будет контур, что и подтверждено экспериментами.
Следовательно, проводящая среда только замыкает контур, создавая условия для протекания в нем тока, и только нескомпенсированная сила приложенная к части контура, создает тягу!
В частности, этот принцип используется в движителях по программе “Elecrodynamic Tether Propulsion” (TSS), где контур (20 км кабель) движется на орбите спутника в магнитном поле Земли, а проводящей средой является ионосфера. При протекании в контуре тока от внешнего источника, Tether разгоняет спутник, а, при замыкании контура на нагрузку, ЭДС, наведенная в контуре, вызывает ток, тормозящий спутник. Так как магнитное поле Земли - слабое (порядка 0.7 Гс), то и ощутимая сила достигается при ширине зазора в десятки километров. Экспериментально эта конструкция была опробована в 1996 году на шаттле “Колумбия” (STS 75).
Безопорныые движители с разрядником
Если проводящая среда, замыкающая контур, материально не связана с движителем (не входит в его массу) и не создает реактивную струю, то такой движитель является безопорным.
В принципе, контур с постоянным током может быть замкнут разрядным промежутком, в частности электрической дугой или вакуумным разрядником с горячей (термоэлектронной) или холодной (электростатической) эмиссией. Схема приведена на рис. 4.
Рис. 4
Вообще-то дуговой разряд происходит в газовой среде. В частности, известны термические дуговые ракетные двигатели, где дуговой разряд нагревает газ, который далее расширяется в сопле и создает тягу. Очевидно, что они фактически являются классическими реактивными двигателями и не являются безопорными.
Но замкнуть контур возможно также и вакуумным разрядом, используя для этого, например, вакуумный диод с нагреваемым или холодным катодом. В этом случае электронный поток от катода к аноду замыкает контур.