Реактивний двигун є домінуючим типом рушіїв в космосі, не рахуючи сонячні вітрила та ще деяку екзотику. Нижче буде показана технологія не-реактивного руху в космосі, повітрі та у воді, в якій застосовується лише базис традиційної фізики. У нас нема анабтаніума, до двигуна Епштейна чекати ще кілька століть, а Гордон Шамвей нічого не розказав нам про свій зореліт. Тому будемо будувати новий двигун тільки на базі доступних на сьогодні технологій.
Спочатку розглянемо кілька моментів роботи реактивного космічного двигуна, що працює на хімічному паливі. Спільним для всіх типів реактивних двигунів є залежність величини механічного коефцієнту корисної дії (ККД) від відношення швидкості струменя і взаємодіючого тіла (ракети-носія чи космічного апарату). Для реактивного двигуна максимальний ККД буде при рівності швидкостей витікаючих газів і самого космічного апарату. Як наслідок, середній механічний ККД ракети-носія знаходиться на рівні парового двигуна – від 8 до 16 відсотків. І це незважаючи на те, що термічний ККД реактивного двигуна один з найвищих для теплових машин.
Якщо подивитися на енергетику процесів при старті ракети, то виявиться, що майже вся енергія продуктів згоряння йде з газами, що витікають з сопла Лаваля. Тільки невелика частина цієї енергії витрачається на рух самої ракети. У міру набору швидкості механічний ККД ракети збільшується і при рівності швидкостей витікаючих газів і ракети-носія досягає максимального значення.
VANDOR drive – як це працює.
Vector Aerodynamic Nodal Direct Opposite Reaction.
Не використовуючи ніяких нових технологій та теорій спробуємо використати саме кінетичну енергію витікаючих газів. Для цого трохи змінимо конструктив ракетного двигуна:
Крок 1. У камері згоряння ракетного двигуна відбувається перетворення хімічної енергії в кінетичну енергію газів. Тут все як в звичайному реактивному двигуні. З камери згоряння продукти реакції надходять на два опозитні сопла Лаваля, встановлені перпендикулярно напрямку руху. Таким чином формуются два протиспрямовані струмені газу з високою кінетичною енергією, а реактивна сила витікаючих газів повністю компенсована. Оскільки струмені газу протиспрямовані, то сума їх імпульсів дорівнює нулю. Так як струмені спрямовані паралельно площині стартової площадки, то ракета з таким пристроєм нікуди не полетить. Але ми маємо два газові струмені з величезною кінетичною енергією!
Крок2. Встановимо дві викривлені пластини-дефлектори на шляху обох струменів. Самі дефлектори механічно пов’язані із корпусом ракети. Вихлопні гази будуть чинити динамічний тиск на дефлектори, віддаючи їм і відповідно- ракеті свою кінетичну енергію. Величина цього тиску чисельно дорівнює половині густини газу помноженої на квадрат швидкості газу. Для дефлекторів газовий струмінь є зовнішньою силою, так що із законом збереження імпульсу все в порядку. Щоб уявити сили, які можуть впливати на дефлектори, пригадаємо бетонні блоки стартового майданчика Starship, які вихлопні гази розкидали на кілометрові відстані. І все-ракета злітає!
Особливості конструкції.
Як дефлектори можуть бути застосовані також фрагменти крил, а у разі надзвукових швидкостей вихлопів можливе застосування крилових решіток. Процеси, що відбуваються в таких решітках досить добре вивчені, не кажучи вже про звичайні аеродинамічні дефлектори або крила.
Найважливішим моментом VANDOR є опозитний вихід газов, що витікають (або іншого носія кінетичної енергії) і дефлекторів як перетворювачів кінетичної енергії в рух ракети, літака, дрону, човна і т.д. Зрозуміло, механічний ККД VANDOR теж залежить від співвідношення швидкостей, але позаяк дефлектор являє собою половину лопатки активної турбіни, то максимальний ККД буде при половині швидкості витікаючих газів, тобто набагато швидше ніж в реактивному двигуні.
Використання енергії витікаючих газів в техніці.
Подібний метод використання енергії газів вже застосовується в техніці, а саме в пристроях реверсу тяги в цивільних реактивних літаках. Але відомий як мінімум один військовий винищувач із таким пристроєм гальмування. Другий випадок – реверс тяги водометних човнів. Причому форма дефлекторів в таких човнах практично збігається за формою з профілем активної турбіни Пелтона. Такий профіль забезпечує поворот водного струменя майже на 180 градусів, що дає пристрою реверсу практично подвійний імпульс. До речі, такий пристрій реверсу тяги зміг би вирішити проблему екстренного гальмування в автомобілях. Невеликий газовий балон та пара дефлекторів плюс- небагато електроніки можуть дуже допомогти в випадках зимових доріг. Саме реверс тяги був відправною точкою в розробці концепції VANDOR.
Що дає використання VANDOR (у космосі).
Така проста зміна парадигми конструкції ракетного двигуна призводить до цікавих результатів:
- Оптимальне розташування VANDOR двигуна це середина довжини ракети. Гази, що витікають від дефлекторів, поширюються майже паралельно площині Землі. Це означає, що стартовий стіл взагалі не потрібен.
- Спрощується посадка багаторазових ракет-носіїв. Немає полум’я, спрямованого на точку приземлення.
- Енергії продуктів згоряння достатньо для виведення на орбіту одноступеневої ракети. Такого типу ракет поки що не існує, а всі спроби їхнього будівництва закінчилися невдачею.
- Немає потреби у величезних тисках в камерах згоряння, що приведе до використання менш енергоємних, але більш “зелених” типів палив.
- При стандартних параметрах сучасних палив можливе виведення на орбіту набагато важчих вантажів-не менше 25 і вище відсотків від загальної ваги ракети.
- Установка посадкових двигунів зверху іншопланетних або астероїдних лендерів дозволить уникнути попадання місячного, марсіанського або астероїдного пилу в сам двигун.
- Маневреність. Поворот, нахил чи гальмування здійснюються поворотом дефлекторів.
- Принцип дії VANDOR є універсальним, а як носій кінетичної енергії можуть виступати повітря, вода, фотони, іони і навіть альфа-частинки продуктів радіоактивного розпаду. Теоретично можливий двигун з використанням електромагнітної індукції, але це потребує деяких технічних рішень (задача з зірочкою,але згадайте про швидкість електромагнітної взаємодії).
Перевірка та застосування.
Для цого достатньо використати два вентилятори та рухому платформу з двома дефлекторами повітря. У нашому випадку це була садова повітродувка як джерело швидкісного струменя повітря та 3D надрукована платформа з дефлекторами.
А практичне застосування приципу VANDOR було реалізовано в трьох проектах.
Було розроблено та протестовано фотонний двигун TAELEA. Два оппозитно розташовані сині лазерні діоди потужністю 5 Ват фірми Nichia спрямовують свої промені на два дзеркала, які розташовані під кутом 45 градусів до лінії поширення лазерного променя. Вимірювання тяги повністю збіглися з розрахунковими. Дещо пізніше був розроблений 4- лазерний варіант двигуна для вирішення проблеми Space Debris, а також застосовані діхроїчні дзеркала з коефіцієнтом відображення 0.98. До речі, враховуючи той факт, що при повному відображенні лазерного променя дзеркало отримує подвійний імпульс, можлива побудова лазерного мікродвигуна з досить великою тягою. Питання до читачів-подумайте, як це можна зробити?
Друга конструкція в якій застосовується принцип VANDOR є дрон ТЕРЕН. Два оппозитно розташовані 50мм імпелери на загальній платформі спільно з двома дефлекторами показали тягу приблизно в 4 рази більше ніж при стандартному реактивному застосуванні імпеллерів. В цифрах це 6 кілограмів на один кіловат потужності батарей. У реактивному застосуванні ці імпелери мають цей показник не більше 1,5 кг на кіловат. Це співвідношення майже не залежить від діаметра імпелера. Було протестовано імпелери діаметром від 50 мм до 90 мм. Застосування принципу реверсивнсті крила ще більше покращило тягові показники, але їх застосування доцільно спільно з імпелерами діаметром понад 70мм. Більш досконалий дрон ТЕЛАД перебуває у стані розробки. Тут застосовуються 90 мм імпелери, а розрахункова та протестована величина підйомної сили дорівнює не менше 15 кг при помірному споживанні енергії батарей. Саме цей дрон знаходиться на розгляді Brave1 як транспортний дрон.
Третя конструкція це двигун малої тяги для кубсатів. На даний момент він проходить лабораторне тестування.
Загальні міркування.
VANDOR як рушій має свою нішу застосування незважаючи на деяку парадоксальність конструкції. Принцип дії не містить ніяких нових чи екзотичних теорій, а всі твердження легко перевіряються практично.
Також немає потреби в нових технологіях, оскільки всі вузли та компоненти двигуна вже давно розроблені практично до краю технічної досконалості.
Для VANDOR немає значення що виступає у ролі носія кінетичної енергії, а важливо лише дотримання основних принципів побудови системи загалом.
Особливо привабливим є застосування VANDOR в ядерному орбітальному тягачі. Тут можна уникнути перетворення ядерної енергії на електричну енергію, але це інша тема.
У випадку іонних двигунів також є можливість отримати більш високу тягу завдяки високій кінетичній енергії іонів. Але будуть потрібні додаткові дослідження впливу високошвидкісних іонів на ерозію металевих дефлекторів.
Як джерело іонів можуть служити альфа-радіоактивні матеріали, а будівництво такого двигуна можливе навіть у наших непростих умовах та при витратах за ціною однієї піцци. Такий двигун зможе функціонувати 14 мільярдів років. Враховуючи, що бортову електрику можна забезпечити від того ж джерела альфа-часток, то виходить, що політ до Альфа-Центаври не така вже й фантастика. Без жодних гігаватних лазерних систем і надлегких відбиваючих плівок на сонячних вітрилах.
У VANDOR є дві головні переваги – підвищений механічний ККД і прості умови запуску ракет – відсутність стартового столу. Крім того, властивості VANDOR можуть спростити завдання посадки космічних апаратів на Місяць, Марс або астероїди завдяки тому, що немає струменя, що спливає, спрямованого вниз. Тобто-виключений ризик попадання планетних порід або пилу в двигун лендера. Так що освоєння астероїдів як джерело рідкоземельних металів не така вже й віддалена перспектива.
Сфера можливих застосувань VANDOR набагато ширша, ніж тільки космос, але це не тема цієї статті. Сам принцип VANDOR таїть у собі ще багато несподіванок, а його застосування може дати можливості, про які вчора доводилося тільки мріяти.