Полевое движение - Field propulsion

Полевое движение это концепция двигательная установка космического корабля где нет пропеллент необходимо, но вместо этого импульс из космический корабль меняется при взаимодействии космического корабля с внешним силовые поля, например, гравитационные и магнитные поля звезд и планет. Это чисто спекулятивный и еще не было продемонстрировано практического использования или теоретической достоверности.

Типы

Практические методы

Хотя в настоящее время широко не используется в космосе, существуют испытанные наземные примеры "полевого движения", в котором электромагнитные поля действуют на проводящую среду, такую ​​как морская вода или плазма для движения, известны как магнитогидродинамика или МГД. МГД аналогичен по работе электродвигателям, однако вместо движущихся частей или металлических проводников используются проводники жидкости или плазмы. EMS-1 и совсем недавно Ямато 1[1] являются примерами таких силовых установок электромагнитного поля, впервые предложенных в патенте США 5333444 .[2] Определенно есть потенциал для применения МГД в космической среде, например, в таких экспериментах, как НАСА. электродинамический трос, Орбиты Лоренца,[3] в бескрылый электромагнитный летательный аппарат, и магнитоплазменный двигатель малой тяги (который действительно использует пропеллент).

Электрогидродинамика это еще один метод, с помощью которого электрически заряженные жидкости используются для управления движением и пограничным слоем, например ионный двигатель[нужна цитата ]

Другие практические методы, которые можно условно рассматривать как полевые двигатели, включают: помощь гравитации траектория, в которой используются планетарные сила тяжести поля и орбитальный момент; Солнечные паруса и магнитные паруса использовать соответственно радиационное давление и Солнечный ветер для тяги космического корабля; Аэробрейкинг использует атмосферу планеты для изменения относительной скорости космического корабля. Последние два на самом деле связаны с обменом импульсом с физическими частицами и обычно не выражаются как взаимодействие с полями, но иногда их включают в качестве примеров полевого движения, поскольку ракетное топливо не требуется.[нужна цитата ]

Спекулятивные методы

Другие предложенные концепции являются умозрительными, с использованием "пограничной физики" и концепций из современная физика. Пока ни один из этих методов не был однозначно продемонстрирован, а тем более доказан на практике.

В Эффект Вудворда основан на противоречивой концепции инерция и некоторые решения уравнений для Общая теория относительности. Эксперименты, пытающиеся убедительно продемонстрировать этот эффект, проводятся с 1990-х годов.

Хотя это и спекулятивно, такие идеи, как связь с потоком импульса нулевого поля электромагнитной волны, выдвигались в стохастическая электродинамика имеют правдоподобную основу для дальнейших исследований в рамках существующей парадигмы теоретической физики.

Напротив, примеры предложений по полевому движению, которые опираются на физику за пределами настоящих парадигм, представляют собой различные схемы для быстрее света, варп-привод и антигравитационный, и часто сводятся к не более чем броским описательным фразам без какой-либо известной физической основы[нужна цитата ]. Пока не будет показано, что закон сохранения энергии и импульса нарушается при определенных условиях (или масштабах), любые такие схемы, достойные обсуждения, должны основываться на передаче энергии и импульса космическому аппарату от некоторого внешнего источника, такого как локальное силовое поле, которое в В свою очередь, он должен получать его от еще других источников импульса и / или энергии в космосе (чтобы обеспечить сохранение как энергии, так и количества движения).[нужна цитата ]


Полевое движение, основанное на физической структуре пространства

Эта концепция основана на общей теории относительности и квантовая теория поля на основании чего может быть предложена идея 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 градиент давления к космическому кораблю будет приложена сила, которая, в свою очередь, создаст тягу для движения.[4] Из-за чисто теоретического характера этой концепции двигателя трудно определить величину тяги и максимальную скорость, которая может быть достигнута. В настоящее время существуют две различные концепции такой полевой двигательной установки: одна основана исключительно на общей теории относительности, а другая - на квантовой теории поля.[5]

в общая релятивистская силовая установка пространство считается упругим полем, подобным резине, что означает, что само пространство можно рассматривать как бесконечное упругое тело. Если пространство-время кривых, возникает нормальное внутреннее поверхностное напряжение, которое служит полем давления. Создавая большое количество этих изогнутых поверхностей позади космического корабля, можно достичь однонаправленной поверхностной силы, которая может использоваться для ускорения космического корабля.[5]

Для квантово-полевая силовая установка предполагается, как утверждается в квантовой теории поля и квантовая электродинамика, что квантовый вакуум состоит из не излучающего электромагнитного поля в неизлучающем режиме и в нулевое энергетическое состояние, самое низкое возможное энергетическое состояние. Также предполагается, что материя состоит из элементарных первично заряженных сущностей, партоны, которые связаны между собой как элементарные осцилляторы. Применяя электромагнитное поле нулевой точки a Сила Лоренца наносится на партоны. Используя это на диэлектрик Материал может повлиять на инерцию массы и тем самым создать ускорение материала, не создавая напряжения или деформации внутри материала.[5]

Законы сохранения

Сохранение количества движения является фундаментальным требованием двигательных систем, потому что в экспериментах всегда сохраняется импульс,[6]. Этот закон сохранения подразумевается в опубликованной работе Ньютона и Галилея, но возникает на фундаментальном уровне из пространственной трансляционной симметрии законов физики, как указано Теорема Нётер. В каждой из двигательных технологий требуется определенная форма обмена энергией с импульсом, направленным назад со скоростью света «c» или некоторой меньшей скоростью «v», чтобы уравновесить изменение количества движения вперед. В отсутствие взаимодействия с внешним полем мощность P, необходимая для создания силы тяги F, определяется выражением когда масса выбрасывается или если выбрасывается безмассовая энергия.

Для фотонной ракеты эффективность слишком мала, чтобы быть конкурентоспособной.[7] Другие технологии могут иметь лучшую эффективность, если скорость выброса меньше скорости света, или если локальное поле может взаимодействовать с другим крупномасштабным полем того же типа, находящимся в космосе, что является целью движущей силы с эффектом поля.

Преимущества

Основное преимущество полевых силовых установок состоит в том, что не требуется топливо, только источник энергии. Это означает, что на космическом корабле не нужно хранить и транспортировать топливо, что делает его привлекательным в долгосрочной перспективе. межпланетный или даже межзвездный пилотируемые миссии.[5] При современных технологиях большое количество топлива, предназначенного для обратного пути, должно быть доставлено к месту назначения, что увеличивает полезная нагрузка всего космического корабля значительно. Увеличенная полезная нагрузка топлива, таким образом, требует большей силы для его ускорения, требуя еще большего количества топлива, что является основным недостатком современной ракетной техники. Примерно 83% водородно-кислородной ракеты, которая может выйти на орбиту, - это топливо.[8]

Пределы

Идея о том, что при полевой силовой установке не потребуется топливный бак, технически неверна. Энергией, необходимой для достижения высоких скоростей, нельзя пренебречь для межзвездное путешествие. Например, 1-тонна космический корабль летит на 1/10 скорость света несет кинетическая энергия 4,5 × 1017 джоули, равный 5 кг согласно эквивалентность массы и энергии. Это означает, что для разгона до такой скорости, как бы это ни было достигнуто, космический корабль должен преобразовать не менее 5 кг. масса / энергия в импульс, представляя 100% эффективность. Хотя такая масса не была «изгнана», она все же «ликвидирована».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ http://www.ovaltech.ca/pdfss/mhddesign.pdf
  2. ^ Мэн, J.C.S. (1994). Патент США № 5333444. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро патентов и товарных знаков США.
  3. ^ http://www.ovaltech.ca/pdfss/Lorentz_Actuated_Orbits_1385Peck.pdf
  4. ^ Муша, Такааки (15 февраля 2018 г.). Полевая двигательная установка для космических путешествий: физика нетрадиционных методов движения для межзвездных путешествий. Книги Бентама. С. 20–37. ISBN  978-1-60805-566-1.
  5. ^ а б c d Минами, Ёсинари; Муша, Такааки (февраль 2013 г.). «Полевые двигательные установки для космических путешествий». Acta Astronautica. 82 (2): 215–20. Bibcode:2013AcAau..82..215M. Дои:10.1016 / j.actaastro.2012.02.027.
  6. ^ Хо-Ким, Куанг; Кумар, Нарендра; Лам, Гарри С. С. (2004). Приглашение к современной физике (иллюстрированное изд.). World Scientific. п. 19. ISBN  978-981-238-303-7. Отрывок страницы 19
  7. ^ Фотонной ракеты не будет, В. Смилга. http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/611872.pdf
  8. ^ Петтит, Дон. «Тирания ракетного уравнения». НАСА.

внешняя ссылка