Полевая тяга

Полевое движение — это концепция движения космического корабля , при которой топливо не требуется, а вместо этого импульс космического корабля изменяется за счет взаимодействия космического корабля с внешними силовыми полями , такими как гравитационные и магнитные поля звезд и планет. Предлагаемые приводы, использующие полевой движитель, часто называют безреактивным или безреактивным приводом .

Типы

Практические методы

Хотя в настоящее время они не широко используются в космосе, существуют доказанные наземные примеры «полевого движения», в которых электромагнитные поля действуют на проводящую среду, такую как морская вода или плазма, для движения, известные как магнитогидродинамика или МГД. МГД по работе аналогичен электродвигателям, однако вместо использования движущихся частей или металлических проводников используются жидкостные или плазменные проводники. EMS-1 и совсем недавно Yamato 1. ^[1] являются примерами таких двигательных установок с электромагнитным полем, впервые описанных в 1994 году. ^[2] Определенно существует потенциал для применения МГД в космической среде, например, в таких экспериментах, как электродинамический трос НАСА , орбиты Лоренца , ^[3] бескрылый электромагнитный летательный аппарат и магнитоплазмодинамический двигатель (который использует топливо).

Электрогидродинамика - это еще один метод, при котором электрически заряженные жидкости используются для движения и управления пограничным слоем, например, ионное движение. ^{[ нужна ссылка ]}

Другие практические методы, которые можно условно назвать полевым движением, включают: гравитационную траекторию, в которой используются планетарные гравитационные поля и орбитальный момент; Солнечные паруса и магнитные паруса используют соответственно радиационное давление и солнечный ветер для тяги космического корабля; Аэроторможение использует атмосферу планеты для изменения относительной скорости космического корабля. Последние два фактически включают обмен импульсом с физическими частицами и обычно не выражаются как взаимодействие с полями, но иногда их включают в качестве примеров полевого движения, поскольку топливо для космического корабля не требуется. Примером может служить конструкция магнитного паруса Magsail . ^[4]^{: Сек. VIII}

Спекулятивные методы

Другие предложенные концепции носят умозрительный характер и основаны на «пограничной физике» и концепциях современной физики . До сих пор ни один из этих методов не был однозначно продемонстрирован, а тем более не доказан на практике.

Эффект Вудворда основан на противоречивой концепции инерции и некоторых решениях уравнений Общей теории относительности . Эксперименты, пытающиеся убедительно продемонстрировать этот эффект, проводятся с 1990-х годов.

Напротив, примерами предложений по полевому движению, которые опираются на физику за пределами нынешних парадигм, являются различные схемы сверхсветовых , варп-двигателей и антигравитации , и часто представляют собой не более чем запоминающиеся описательные фразы без известной физической основы. ^{[ нужна ссылка ]}. Пока не будет показано, что сохранение энергии и импульса нарушается при определенных условиях (или масштабах), любые подобные схемы, достойные обсуждения, должны основываться на передаче энергии и импульса космическому кораблю из какого-либо внешнего источника, такого как локальное силовое поле, которое в в свою очередь, должен получить его из других источников импульса и/или энергии в космосе (чтобы обеспечить сохранение как энергии, так и импульса). ^{[ нужна ссылка ]}

Некоторые люди предположили, что эффект Казимира можно использовать для создания безмоторного двигателя, часто называемого « Парусом Казимира» или « Квантовым парусом ». ^[5]^[6]^[7]^[8]

Полевая тяга на основе физической структуры космоса

Эта концепция основана на общей теории относительности и квантовой теории поля, из которых можно выдвинуть идею о том, что пространство имеет физическую структуру. Макроскопическая структура описывается общей теорией относительности, а микроскопическая структура — квантовой теорией поля.Идея состоит в том, чтобы деформировать пространство вокруг космического корабля. Деформируя пространство, можно было бы создать за космическим кораблем область с более высоким давлением, чем до него. Из-за градиента давления на космический корабль будет действовать сила, которая, в свою очередь, создаст тягу для движения. ^[9] Из-за чисто теоретического характера этой концепции двигательной установки трудно определить величину тяги и максимальную скорость, которую можно достичь. В настоящее время существуют две разные концепции такой полевой двигательной установки: одна основана исключительно на общей теории относительности, а другая — на квантовой теории поля. ^[10]

В общей релятивистской двигательной системе пространство считается упругим полем, подобным резине, что означает, что само пространство можно рассматривать как бесконечное упругое тело. Если пространство-время искривляется, создается нормальное внутреннее поверхностное напряжение, которое служит полем давления. Создавая большое количество таких криволинейных поверхностей позади космического корабля, можно добиться однонаправленной поверхностной силы, которую можно использовать для ускорения космического корабля. ^[10]

Для двигательной установки с теорией квантового поля предполагается, как утверждает квантовая теория поля и квантовая электродинамика , что квантовый вакуум состоит из электромагнитного поля с нулевым излучением в неизлучающем режиме и в энергетическом состоянии с нулевой точкой . минимально возможное энергетическое состояние. Также предполагается, что материя состоит из элементарных первичных заряженных объектов, партонов , которые связаны друг с другом как элементарные осцилляторы. При приложении электромагнитного поля нулевой точки сила Лоренца к партонам применяется . Использование этого метода на диэлектрическом материале может повлиять на инерцию массы и таким образом создать ускорение материала, не создавая напряжения или деформации внутри материала. ^[10]

Законы сохранения

Сохранение импульса является фундаментальным требованием двигательных систем, поскольку в экспериментах импульс всегда сохраняется. ^[11] Этот закон сохранения неявно присутствует в опубликованных работах Ньютона и Галилея, но на фундаментальном уровне возникает из пространственной трансляционной симметрии законов физики, как указано в теореме Нётер . В каждой из технологий движения требуется некоторая форма обмена энергией с импульсом, направленным назад со скоростью света «c» или с некоторой меньшей скоростью «v», чтобы сбалансировать изменение импульса вперед. В отсутствие взаимодействия с внешним полем мощность P, необходимая для создания силы тяги F, определяется выражением $F=P/v$ когда масса выбрасывается или $F=P/c$ если выделяется безмассовая энергия.

Для фотонной ракеты эффективность слишком мала, чтобы быть конкурентоспособной. ^[12] Другие технологии могут иметь более высокую эффективность, если скорость выброса меньше скорости света или локальное поле может взаимодействовать с другим крупномасштабным полем того же типа, находящимся в космосе, что и является целью движения на основе полевого эффекта.

Преимущества

Основное преимущество полевых двигательных установок заключается в том, что не требуется никакого топлива, а только источник энергии. Это означает, что на космическом корабле не требуется хранить и транспортировать топливо, что делает его привлекательным для долгосрочных межпланетных или даже межзвездных полетов с экипажем . ^[10] При нынешних технологиях к месту назначения приходится доставлять большое количество топлива, предназначенного для обратного пути, что значительно увеличивает полезную нагрузку всего космического корабля. Таким образом, увеличенная полезная нагрузка топлива требует большей силы для его ускорения, что требует еще большего количества топлива, что является основным недостатком современной ракетной технологии. Примерно 83% ракеты с водородно-кислородным двигателем, способной достичь орбиты, составляет топливо. ^[13]

Пределы

Идея о том, что при полевой тяге не потребуется топливный бак, технически неточна. Энергия, необходимая для достижения таких высоких скоростей, становится существенной для межзвездных путешествий . Например, космический корабль массой 1 тонну, движущийся со скоростью 1/10 скорости света, несет кинетическую энергию 4,5 × 10 ¹⁷ джоули , равные 5 кг согласно массо-энергетическому эквиваленту . Это означает, что для разгона до такой скорости, каким бы способом это ни было достигнуто, космический корабль должен преобразовать не менее 5 кг массы/энергии в импульс, представляя себе КПД 100%. Хотя такая масса и не была «изгнана», она всё равно «утилизирована».

См. также

Ссылки

^ АКАГИ, Синсуке; ФУДЗИТА, Кикуо; СОГА, Кадзуо (27 мая 1994 г.). «Оптимальная конструкция подруливающей системы для сверхпроводящего корабля с электромагнитной двигательной установкой» (PDF) . Материалы 5-й Международной конференции по морскому дизайну . Проверено 30 ноября 2022 г.
^ США 5333444 , Мэн, Джеймс CS, «Сверхпроводящий электромагнитный двигатель», опубликован 2 августа 1994 г., передан министру военно-морского флота США .
^ Пек, Мейсон А. «Орбиты, приводимые в движение Лоренцем: электродинамическое движение без привязи» (PDF) . Проверено 30 ноября 2022 г.
^ Зубрин, Роберт М.; Эндрюс, Дана Г. (март 1991 г.). «Магнитные паруса и межпланетные путешествия» . Журнал космических кораблей и ракет . 28 (2): 197–203. дои : 10.2514/3.26230 . ISSN 0022-4650 .
^ «Работа на пустом месте» . Новый учёный . Проверено 6 августа 2023 г.
^ ДеБиасе, РЛ (28 января 2010 г.). «Модель, вдохновленная легким парусом, для использования сил Казимира для безмоторного движения» . Материалы конференции AIP . 1208 (1): 153–167. Бибкод : 2010AIPC.1208..153D . дои : 10.1063/1.3326244 . ISSN 0094-243X . ОСТИ 21370934 .
^ ДеБиасе, РЛ (1 января 2010 г.). «Модель, вдохновленная легким парусом, для использования сил Казимира для безмоторного движения» . Космос . Материалы конференции AIP. 1208 (1): 153–167. Бибкод : 2010AIPC.1208..153D . дои : 10.1063/1.3326244 .
^ Сейфе, Чарльз, изд. (2000). Ноль: биография опасной идеи . Известная книга New York Times (1-е изд.). Нью-Йорк: Викинг. стр. 187–188. ISBN 978-0-14-029647-1 .
^ Муша, Такааки (15 февраля 2018 г.). Полевая двигательная установка для космических путешествий: физика нетрадиционных методов движения для межзвездных путешествий . Книги Бентама. стр. 20–37. ISBN 978-1-60805-566-1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Минами, Ёсинари; Муша, Такааки (февраль 2013 г.). «Полевые двигательные установки для космических путешествий». Акта Астронавтика . 82 (2): 215–20. Бибкод : 2013AcAau..82..215M . дои : 10.1016/j.actaastro.2012.02.027 .
^ Хо-Ким, Куанг; Кумар, Нарендра; Лам, Гарри CS (2004). Приглашение в современную физику (иллюстрированное ред.). Всемирная научная. п. 19. ISBN 978-981-238-303-7 . Выдержка со страницы 19
^ Фотонной ракеты не будет, В. Смилга http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/611872.pdf. Архивировано 17 мая 2017 г. на Wayback Machine.
^ Петтит, Дон. «Тирания ракетного уравнения» . НАСА . Архивировано из оригинала 29 октября 2016 г. Проверено 4 ноября 2016 г.

Внешние ссылки

[1] АКАГИ, Синсуке; ФУДЗИТА, Кикуо; СОГА, Кадзуо (27 мая 1994 г.). «Оптимальная конструкция подруливающей системы для сверхпроводящего корабля с электромагнитной двигательной установкой» (PDF) . Материалы 5-й Международной конференции по морскому дизайну . Проверено 30 ноября 2022 г.

[2] США 5333444 , Мэн, Джеймс CS, «Сверхпроводящий электромагнитный двигатель», опубликован 2 августа 1994 г., передан министру военно-морского флота США .

[3] Пек, Мейсон А. «Орбиты, приводимые в движение Лоренцем: электродинамическое движение без привязи» (PDF) . Проверено 30 ноября 2022 г.

[4] Зубрин, Роберт М.; Эндрюс, Дана Г. (март 1991 г.). «Магнитные паруса и межпланетные путешествия» . Журнал космических кораблей и ракет . 28 (2): 197–203. дои : 10.2514/3.26230 . ISSN 0022-4650 .

[5] «Работа на пустом месте» . Новый учёный . Проверено 6 августа 2023 г.

[6] ДеБиасе, РЛ (28 января 2010 г.). «Модель, вдохновленная легким парусом, для использования сил Казимира для безмоторного движения» . Материалы конференции AIP . 1208 (1): 153–167. Бибкод : 2010AIPC.1208..153D . дои : 10.1063/1.3326244 . ISSN 0094-243X . ОСТИ 21370934 .

[7] ДеБиасе, РЛ (1 января 2010 г.). «Модель, вдохновленная легким парусом, для использования сил Казимира для безмоторного движения» . Космос . Материалы конференции AIP. 1208 (1): 153–167. Бибкод : 2010AIPC.1208..153D . дои : 10.1063/1.3326244 .

[8] Сейфе, Чарльз, изд. (2000). Ноль: биография опасной идеи . Известная книга New York Times (1-е изд.). Нью-Йорк: Викинг. стр. 187–188. ISBN 978-0-14-029647-1 .

[book-9] Муша, Такааки (15 февраля 2018 г.). Полевая двигательная установка для космических путешествий: физика нетрадиционных методов движения для межзвездных путешествий . Книги Бентама. стр. 20–37. ISBN 978-1-60805-566-1 .

[ref1-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Минами, Ёсинари; Муша, Такааки (февраль 2013 г.). «Полевые двигательные установки для космических путешествий». Акта Астронавтика . 82 (2): 215–20. Бибкод : 2013AcAau..82..215M . дои : 10.1016/j.actaastro.2012.02.027 .

[11] Хо-Ким, Куанг; Кумар, Нарендра; Лам, Гарри CS (2004). Приглашение в современную физику (иллюстрированное ред.). Всемирная научная. п. 19. ISBN 978-981-238-303-7 . Выдержка со страницы 19

[12] Фотонной ракеты не будет, В. Смилга http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/611872.pdf. Архивировано 17 мая 2017 г. на Wayback Machine.

[13] Петтит, Дон. «Тирания ракетного уравнения» . НАСА . Архивировано из оригинала 29 октября 2016 г. Проверено 4 ноября 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]