Что такое бульбуляторный двигатель
Скорость света ближе, чем казалось: ученые создали первый пузырь Алькубьерре
Еще одна технология из Star Trek оказалась больше наукой, чем фантастикой. Ученые под финансированием DARPA создали так называемую «warp bubble» — область пространства, способную расширяться или уменьшаться быстрее скорости света. Об этом сообщает бывший специалист НАСА по варп-двигателям Гарольд Уайт. Это первый настоящий «пузырь варп-движения», созданный в лаборатории. Который, как минимум, подтверждает, что такое возможно. И, по словам Уайта, устанавливает новую перспективу для тех, кто захочет создать первый космический корабль, способный к деформации.
Чтобы быть ясным, наше открытие — не аналог варп-пузыря, это настоящий, хотя и скромный и крошечный, варп-пузырь. Поэтому это так важно.
Теоретические двигатели быстрее скорости света
Доктор Гарольд «Сонни» Уайт
В 1994 году мексиканский математик Мигель Алькубьерре предложил первое математически правильное уравнение для варп-двигателя. Вдохновленный перелетами в Star Trek, он в общих чертах обрисовал двигательную установку космического корабля, которая может перемещаться по космосу быстрее скорости света без нарушения законов физики.
Это решение хвалили за элегантную математику, но одновременно высмеивали за использование «науки из сериала» и траты многих лет работы впустую над решением, которое казалось невозможным на практике.
Десять лет спустя теория Алькубьерре претерпела серьезные изменения, когда доктор Уайт, работавший тогда в НАСА, переработал исходную метрику Алькубьерре и привел ее в каноническую форму. Это изменение в дизайне двигателя резко сократило требования к экзотическим материалам и снизило необходимые затраты энергии. Тогда исследователи и поклонники научной фантастики получили проблеск надежды на то, что реальный варп-двигатель может однажды стать реальностью. Работа Уайта также привела к неофициальному переименованию первоначального теоретического проекта: теперь концепцию чаще называют «Варп-двигатель Алькубьерре/Уайта».
С тех пор многие физики и инженеры предпринимали попытки разработать жизнеспособный варп-двигатель, включая целую группу международных исследователей, работающих над двигателем варпа, не требующего никакой странной материи. Однако, как и Алькубьерре и Уайт до них, их концепции до сих пор оставались полностью теоретическими. Но теперь, похоже, ситуация изменилась.
Время — всё. Особенно на скорости света
Часто говорят, что время решает все. Поэтому неудивительно, что когда доктор Уайт начал свое последнее исследование, финансируемое DARPA, он и не думал о создании варп-пузыря. Ученые занимались исследованием геометрии пустот Казимира (наноскопической структуры, возникающей в результате эффекта, заставляющего две металлические пластины притягиваться в вакууме).
Не вдаваясь глубоко в сложную физику, лежащую в основе пустот Казимира и странных квантовых сил, наблюдаемых в этих структурах, достаточно сказать, что они никоим образом не связаны с механикой варп-двигателя. По крайней мере, так думали раньше. Но, по словам Уайта, они с его командой в LSI очень увлечены этой работой, а по мнению DARPA она имеет ряд возможных применений, выходящих далеко за рамки даже текущей находки.
Первый варп-пузырь
В итоге один из немногих ученых с интересом к варп-пузырям и пониманием уравнений Алькубьерре оказался в нужное время и в нужном месте. И заметил поразительное сходство между его текущим проектом и теоретическим микроскопическим двигателем, способным перемещаться быстрее скорости света.
Проверка учеными и подтверждение пузыря Алькубьерре
Фактические результаты, опубликованные после проверки в European Physical Journal, говорят:
При проведении анализа, связанного с проектом, финансируемым DARPA, по оценке возможной структуры плотности энергии, присутствующей в полости Казимира, как это предсказано динамической моделью вакуума, была обнаружена наноразмерная структура, которая предсказывает распределение плотности отрицательной энергии, которое близко соответствует требованиям метрики Алькубьерре.
Или, проще говоря, как говорит Уайт, «Насколько мне известно, это первая статья в рецензируемой литературе, которая говорит о реальной наноструктуре, которая, по прогнозам, будет являться настоящим, хотя и скромным, пузырем деформации».
Это случайное открытие, по словам Уайта, не только подтверждает предсказанную «тороидальную» структуру варп-пузыря и наличие в нем отрицательной энергии, но также дает потенциальный путь другим исследователям, пытающимся спроектировать, а в один прекрасный день и построить настоящий космический корабль, способный на перемещение путем искажения пространства-времени вокруг себя.
«Эта потенциальная структура будет генерировать отрицательное распределение плотности энергии вакуума, которое очень похоже на то, что требуется для деформации пространства Алькубьерре».
Путь вперед
Чтобы оценить возможные перспективы, Уайт и его команда разработали проект тестируемого наномасштабного «корабля с варп-двигателем». Во время его презентации AIAA (крупнейшему в мире аэрокосмическому техническому сообществу) он объяснил:
Мы проанализировали игрушечную модель двигателя, состоящую из сферы диаметром 1 микрон, расположенной в центре цилиндра диаметром 4 микрона. Она показала трехмерную плотность энергии Казимира, которая хорошо коррелирует с требованиями метрик Алькубьерре.
Эта качественная корреляция предполагает, что мы можем проводить эксперименты в масштабе наночипа, чтобы попытаться измерить крошечные сигнатуры. Но пока что мы видим наглядную иллюстрацию реального, хотя и очень скромного по размерам, варп-пузыря деформации.
Уайт развил эту идею в электронном письме в The Debrief:
Мы уже можем предложить сообществу структуру, которая генерирует отрицательное распределение плотности энергии вакуума, очень похожее на то, что требуется для деформации космоса Алькубьерре.
Уайт говорит, что такие мини-двигатели уже можно производить — если использовать 3D-принтер GT, печатающий в нанометровом масштабе. Но в настоящее время ученые продолжают заниматься тем, на что получили финансирование — исследовании свойств полостей Казимира. А постройкой кораблей и масштабированием двигателей для них могут заняться все остальные.
Предложение для следующего эксперимента
Уайт и его команда даже предлагают путь для дальнейших исследований. По их словам, стоит построить эксперимент, включающий несколько созданных пустотами Казимира варп-пузырей, стоящих друг за другом в виде цепочки. По их словам, такая конструкция позволит лучше понять физику структуры варп-пузыря, а также то, сможет ли корабль однажды пересечь реальное пространство внутри такого пузыря.
Уайт на конференции AIAA объяснил:
Мы могли бы провести исследование оптических свойств этих маленьких, наноразмерных пузырей деформации. Если объединить большое количество из них подряд, мы можем намного усилить эффект, чтобы можно было его увидеть и изучить.
Ползти, идти, бежать
Учитывая, что DARPA платит лаборатории LSI Eagleworks за исследование полостей Казимира, а не за случайное открытие пузыря искривления пространства-времени, независимо от его (потенциально) невероятных последствий Уайт и его команда не могут бросить свой текущий проект. Поэтому призывают других ученых попробовать реализовать варп-пузыри и протестировать их свойства. Поскольку DARPA принадлежит Министерству обороны США, публично обнародовать результаты проектов им сложно. Текущий прорыв был достигнут еще в начале лета, а говорить о нем в деталях стало можно только сейчас. И это при том, что исследование полостей Казимира официально не было засекреченным, что и позволило ученым в итоге выйти на публику.
Если DARPA профинансирует работу LSI над космическим кораблем с наноразмерным варп-двигателем, о таком проекте мы можем не услышать еще много лет.
В конце концов, особенно с учетом масштабов этого открытия и его потенциальных последствий, Уайт считает, что создание и испытание его мини-варп-корабля — это лишь вопрос времени. По его мнению, теперь наука будет медленно, но верно продвигаться к этой цели в виде космического корабля, способного к деформации.
Когда его спросили, как быстро протестированный наноразмерный «корабль» может быть масштабирован до чего-то, на чем действительно можно было бы летать в космос, Уайт предложил более реалистичный подход к этому исследованию:
Еще рано задавать вопросы о каких-то реальных летательных экспериментах. На мой взгляд, первый шаг — просто изучить основную науку в нано / микромасштабе. И постепенно пытаться переходить к чему-то более крупному. Сначала мы должны научиться ползать, потом — идти, и только потом — бежать.
Дополнительный разбор того, что становится возможным с варп-двигателем, на Хабре есть тут.
Перевод статьи научного журнала TheDebrief.
Первая презентация варп-пузыря Уайтом на Propulsion Energy Forum доступна на ютубе. Тогда его находка еще не была проверена научным сообществом.
Хотите найти крутую работу? Подключайте телеграм-бот g-mate. Указываете желаемую зарплату, и он выдает вам лучшие вакансии от топовых компаний, и помогает пройти интервью. Для старта не нужно ни резюме, ни портфолио, настройка занимает меньше 30 секунд.
Бульбулятор
В глазах соседей и людей, знавших его отдаленно, Никифор слыл добропорядочным семьянином – это суждение соответствовало истине. В согласии со своей «половинкой » Светланой они прожили более десяти лет. Благодаря трудолюбию, успели немалого добиться: построили кооперативную квартиру, обставили ее, завели за городом дачу и подумывали о покупке недорогого автомобиля.
Будни семьи проходили в производственной работе, а по выходным супруги тоже не любили сидеть сложа руки и бессмысленно таращась в телевизор. Находилось обычно какое-либо не кропотливое дело в домашнем обустройстве – Никифор брался за него с охоткой, а Светлана, с усердием хозяйки, возилась поблизости, наводя чистоту.
Так планировали они и на этот раз. Стоял жаркий июль, особо срочной работы в квартире не было, но Светлана с присущей ей рассудительностью решила загодя заняться оклейкой окон. Просто вычитала она в газете, что август обещает быть холодным, а сентябрь – и того хуже, вот и засуетилась, очищая от пыли стекла и нарезая ровными полосками бумагу.
Никифор, пожав плечами, выразил сомнение: дескать, в разгар лета никто такую работу не делает.
– Лодырю любая причина – помеха, – возразила Светлана. – Зато по осени, когда придут холода, мы с тобой, как ужаленные, бегать не будем. Да и форточки оставим без оклейки, для циркуляции воздуха.
Доводы были вескими, но Никифора в тот день, словно крылья над землёй носили. С самого утра ему не сиделось на месте, то и дело он косился он стрелки часов и воровато выглядывал в окно.
– Дорогая, ведь «Автюки» же сегодня, – произнес он просящее. – Может, съездим, повеселимся? Тут же всего от Калинковичей какой-то десяток километров.
Светлана промолчала, дав понять, что предложенную идею не одобряет. Но Никифор на своей задумке настоял. Жена, как выяснилось в ходе дальнейшего разговора, не особо ему и перечила, даже выделила из семейного бюджета «десятку» на расходы.
– Только долго не задерживайся. Я пока все подготовлю, а когда вернешься, вместе и сделаем, – дала она напутствие.
Из дома Никифор вышел с приподнятым настроением, в предвкушении чего-то необычного. О сестрах-деревнях с созвучными названиями Большие и Малые Автюки он много слышал, даже видел однажды смешную трансляцию по телевизору, но побывать на легендарном фестивале народного юмора собственной персоной никак не доводилось.
Автобусы в тот день ходили бойко, поэтому добрался он без всяких проблем. И сразу окунулся с головой в атмосферу всеобщего гуляния, веселого праздника. Довольно долго его не пропускали через «таможню», требуя рассказать нечто оригинальное. Никифор сбивчиво отбрехивался, вспоминая старые анекдоты. Таможня дала добро. А вокруг уже вовсю танцевали, гарцевали, скакали вверх тормашками. Кто-то дудел в дивной конструкции дудку, другой бахал в барабан. Людей в подлеске собралось множество, давно такого столпотворения Никифор не видел. Многие были наряжены в пестрые, расшитые национальным орнаментом, одежды. На импровизированных сценах выступали артисты.
Пытаясь охватить происходящее действо, Никифор наугад совался к местам наибольшей толкучки. Сгоряча, он подтянулся пяток раз на перекладине, прокатился пассажиром на телеге «коня Лiпскага «, отведал вкусных маслянистых блинов. Два часа, в общем, пролетели как одно мгновение.
Никифор вполне был доволен и ничего больше не хотел. Осталось лишь добраться домой. Он побрел в сторону автобусной остановки и вышел прямиком к окутанному паром агрегату, над которым размашисто было написано: «Бульбулятор».
Никогда ничего похожего в своей жизни Никифор не видел. Бочкообразное основание агрегата обвивали трубки, змеевики, внизу для чего-то был привинчен кран. Внутри «бульбулятора » клокотало.
– Товар высшего качества! – заверил продавец, который сидел на низкой табуретке перед входом для покупателей.
А в некотором удалении от агрегата находились две миловидные девушки – блондинка и брюнетка. У них были серые контрастные глаза, отточенные в стройности фигуры и все прочее, от чего мужчины зачастую теряют голову. Внешне они были похожими – даже, пожалуй, сестры. Но в руке у одной девушки был бокал с красным вином, а у другой – с белым. От бочки «бульбулятора» к ним уходил тонкий эластичный шланг с бронзовым наконечником – это было нужно для того, чтобы потянуть пару глотков самогона, если захочется.
– Отведай доброго напитка, Колосок! – доброжелательно обратилась к Никифору светловолосая девушка.
– Мы обе являемся гарантом того, что хуже тебе не станет! – кокетливо дополнила темноволосая.
Они были до того миловидными и сладкими, что даже и отравы, кажется, после таких чар испил бы. А в обращении: «Колосок», к слову, таилась удивительная особенность весёлого фестиваля – женщины здесь так называли мужчин; а те их в ответ, столь же мило и дружелюбно, величали: «Калинка».
Никифор, пожав плечами, пересчитал оставшиеся деньги.
– Давай! – отобразил он согласие продавцу, указывая на пустую рюмку, стоявшую наизготове перед краном диковинного агрегата. Алкоголь Никифор употреблял редко, но сегодня это можно было себе позволить – праздник ведь.
Глотать было противно, желудок обожгло, в нос ударил самогонный запах. Первым впечатлением было, что выпил гадость, «каку» – как говорят дети. Никифор, с досады, закурил.
Минуты через две он с удивлением заметил, что настроение улучшается, а самогон не кажется таким плохим, как вначале. Он решился на повторный «бульбуляторный» залп. А на посошок, спеша к автобусу и ощутив приток жизненных сил, опрокинул еще в довесок и третью рюмку с целью закрепления праздничного настроения.
Доброжелательным девушкам, уходя, ему захотелось высказать комплименты в адрес их очарования, но совестливость семейных уз этого не позволила – все-таки, дома его ожидала жена Светлана.
По дороге домой, когда автобус закачало на ухабах, Никифор почувствовал, что переоценил свою прочность. Перед глазами поплыло. Выйдя в Калинковичах на остановке, он оприходовал пластиковый бокал пива – чтобы скрыть от жены перегар, наложив один на другой.
Но что-то он, судя по результату, сделал неправильно. От цепкого взгляда жены не ускользнуло, что муженек явился навеселе.
– Ну, если тебе пьянка семьи дороже, тогда и обедай сам, – сказала Светлана обиженно, демонстративно уходя к телевизору.
Спорить с ней было бесполезно. Никифор прошел на кухню в огорчении, опустился на табуретку и подвинул к себе стоявшую с краю миску. Хлебая, он поймал себя на ощущении, что еда невкусная: тягучая какая-то, пресная, да еще в придачу и холодная. На Светлану это было не похоже – готовила она отменно. «Это я, видимо, обжёг самогонкой вкусовые рецепторы», – решил он, усилием воли заставив себя поглотить всю пищу без остатка.
– Окно клеить будем? – спросил по завершению обедни, заглянув в зал.
– А ты в состоянии? – удивилась жена.
Никифор дал положительный ответ с целью задобриться перед супругой за провинность. Он чувствовал себя обманщиком, не сдержавшим слово и опорочившим семейные идеалы.
Светлана пришла на кухню, но вскоре стала растерянно оглядываться, не находя приготовленных аксессуаров. Бумага-то была на месте, а вот клей…
– Почему суп целый? Ты же стучал, я слышала, ложкой, – спросила жена, подняв крышку стоявшей на газовой плите кастрюли. – Или, может, святым духом питаешься?
– Так стояло же на столе. – Никифор в недоумении развел руками.
Подозрения Светланы обрели реальные очертания. Присмотревшись, она заметила стоявшую в мойке искомую миску. Пустую.
– Ты же съел клейстер! – вскрикнула она потрясенно. Потом выбежала из кухни, причитая о вреде алкоголизма.
Никифор обхватил голову руками. Осознание позора навалилось на него одновременно с боязнью отравиться.
– Это все проклятый «Бульбулятор»! – грохнул он по столу кулаком.
Минут через пятнадцать Светлана вернулась.
– Ты не переживай сильно, – сказала она примирительно, обняв мужа. – Он же натуральный – клейстер, из муки. Считай, что поел блинов. Суп останется на ужин. А клей я новый приготовлю.
Больше о произошедшем казусе они никогда не вспоминали. Никифор на долгие годы зарекся не пить. Слово он сдержал, конечно, но думать о «Бульбуляторе» до сих пор было стыдно. Но из песни слов не выбросишь!
Клиновоздушный ракетный двигатель (КВРД) — тип ракетного двигателя с клиновидным соплом, который поддерживает аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы. КВРД относится к классу ракетных двигателей, сопла которых способны изменять давление истекающей газовой струи в зависимости от изменения атмосферного давления с увеличением высоты полета.
В конструкции клиновоздушного двигателя проблема эффективности на различной высоте решается следующим образом: вместо одной точки выхлопа в виде небольшого отверстия в центре сопла используется клиновидный выступ, вокруг которого устанавливается ряд камер сгорания. Клин формирует одну сторону виртуального сопла, в то время как другая часть формируется проходящим потоком воздуха в ходе полета. Этим объясняется его первоначальное название «двигатель аэроспайк» (англ. Aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).
There are more things in heaven and earth, Horatio,
Than are dreamt of in your philosophy.
Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось вашим мудрецам
Вольный перевод Шекспира
Как работает сопло в различных условиях
Характеристики реактивного двигателя – тяга, удельная тяга (тяга, делённая на расход топлива) и удельный импульс (создаваемый двигателем импульс, делённый на расход топлива) зависят от высоты полёта. Если берется массовый расход или весовой, единица измерения удельной тяги (удельного импульса) будет или м/с, или секунды, соответственно. В первом случае удельный импульс трактуется как скорость истечения продуктов сгорания в безвоздушное пространство, во втором – как время, которое может проработать двигатель на 1 кг топлива. Далее мы будем использовать термин «удельный импульс», измеряемый в м/с. Он равен эффективной скорости истечения струи из сопла в идеальных условиях, которая определяется формулой
Нерасчетные режимы работы сопла Лаваля. В формулах (1-2) полагается, что сопло обеспечивает идеальное расширение продуктов сгорания до давления, равного давлению в окружающей среде. Но для работы сопла Лаваля такие условия – это исключение. Поскольку возмущения в газе распространяются со скоростью звука, то сверхзвуковой поток «не знает», что у него впереди, какие там условия и какое там давление. Поэтому в расширяющейся сверхзвуковой части сопла поток можно разогнать до любой скорости (числа Маха, равного отношению скорости к местной скорости звука), которая определяется только соотношением площади среза сопла к площади наименьшего критического сечения. Это же соотношение определяет давление на кромке сопла.
В типичном случае двигатели первой ступени работают до высоты полёта порядка 60 км, где пространство уже можно считать безвоздушным, а давление более чем в 1000 раз меньше, чем у Земли. Но уже с высоты примерно в 40 км удельный импульс практически не изменяется (сплошная линия на рис.3). Если бы длину сопла и степень расширения в нём потока можно было изменять, то удельный импульс определялся бы в по формулами (1-2), как показано пунктиром на рис.3.
Выбор расчетной высоты работы для сопла Лаваля требует проведения оптимизационных расчетов. Например, если для двигателя расчетной высотой принимают 12 км, то на этой высоте давление на срезе сопла равняется давлению в окружающей среде (рис.4-а). Но тогда на уровне моря такое сопло будет сильно перерасширять поток, что приведет к существенным потерям тяги. Кроме того, косой скачок может вызвать отрыв пограничного слоя внутри сопла и проникнуть внутрь сопла (рис.4-б), что, в целом, считается аварийным режимом работы и сопровождается колебаниями и асимметрией тяги.
Рисунок 4 – Поле числе Маха внутри сопла РД-120 на расчетном режиме (а) на высоте 12 км и на режиме глубокого перерасширения потока с отрывом от стенок сопла на уровне моря (б)
Что такое сопло AeroSpike и в чем заключаются его проблемы
Принцип работы КВРД (рис.5) заключается в расширении потока на профилированном центральном теле – клине (конусе). AeroSpike относится к соплам именно такого типа. Выполненные исследования [2] показали, что сопло AeroSpike полной длины (рис.5-а,б) работает на режиме практически полного расширения продуктов сгорания в диапазоне высот от нуля до 100 км. Для сокращения длины сопла AeroSpike иногда укорачивают (рис.5-в). При этом образуется донная область. При работе вблизи уровня моря усеченное сопло и сопло полной длины практически идентичны.
Преимущество сопла AeroSpike перед соплом Лаваля поясняет рис. 6.
На рис.6 АВС – веер волн разрежения, которые образуются в результате разворота потока на кромке А. Угол разворота линии тока определяется отношением давления p о c внутри сопла к давлению p ∞ в окружающей среде. Когда p ∞ > p о c (рис.6-б), из сопла истекает перерасширенная струя, граница струи наклонена к оси (плоскости) симметрии. Последняя волна веера волн разрежения АС падает на клин (центральное тело, ц.т.) в точке С и отражается от него в виде волны сжатия. В результате на клине ниже точки С по потоку давление увеличивается, что создает дополнительную тягу (на рис.6-б заштрихованная область).
Основным недостатком КВРД полной длины является сложность организации охлаждения, т.к. охлаждаемая площадь в несколько раз больше, чем у ЖРД с классическим соплом Лаваля. Положение усугубляется тем, что подача хладагента в «хвостик» клина сопровождается большими гидравлическими потерями [1]. Габариты же сопел практически одинаковые.
Усеченное по длине сопло AeroSpike отличается большей компактностью. Сравнение размеров и удельного импульса примерно равных по тяге ЖРД с соплом Лаваля и КВРД приведено на рис. 7.
Рисунок 7 – Сравнение размеров (а) ЖРД SpaceX Merlin первой и второй ступени c ЖРД Rocketdyne RS-2200 и удельного импульса (б) идеального регулируемого по степени расширения сопла Лаваля (1), сопла AeroSpike полной длины (2), сопла Лаваля (3) и усеченного AeroSpike (4)
На больших высотах удельный импульс усеченного сопла несколько ниже из-за влияния области разрежения за донным уступом. Моменту скачкообразного уменьшения удельного импульса на рис.7-б соответствует переход от режима с открытой донной областью, в которую попадает окружающий воздух (рис.8-а), к режиму закрытой донной области, в которой присутствует только газ, истекающий из сопла (рис.8-б). Этот переход сопровождается скачкообразным уменьшением данного давления, которое в дальнейшем не зависит от давления в окружающей среде и скорости полета ракеты.
Изучение проблемы донного давления [3] и связанных с ней режимов [4] проводилось в ЦАГИ, БГТУ Военмех и ИТПМ им. Христиановича в течение 40 лет.
КВРД с усеченным соплом использовался в экспериментальном воздушно-космическом самолете Lockheed Martin X-33, а также в проекте Rocketdyne RS-2200 – в качестве основной силовой установки Space Shuttle. ЖРД Rocketdyne RS-2200 прошел успешные наземные испытания, а его модель была испытана в полете на летающей лаборатории SR-71 на скорости до М=3. В этом двигателе при старте воздух отсасывался из донной области через специальные отверстия, потому что в противном случае струя не прилипала к стенкам сопла, а в полете в донную область подавались газы от турбонасосного агрегата (ТНА), чтобы обеспечить бесколебательный режим перехода с одного режима на другой и уменьшить потери удельного импульса (рис.9).
Необходимость размещения в донной области усеченного центрального тела дополнительной системы для удаления воздуха при запуске и подачи в донную область продуктов сгорания на расчетных режимах работы снижает надежность системы и значительно увеличивает массу двигателя. RS-2200 весит в 2.5 раза больше ЖРД Merlin, сравнимого по тяге.
Дополнительные сложности имеются и с охлаждением. Сопло короче, чем у AeroSpike полной длины, но появляется донная область, в которой циркулируют низкоскоростные продукты сгорания, в которых догорает топливо.