Замкнутый цикл движения рабочего тела для теплового ракетного двигателя (стр. 2 )

  Итак, ключевой вывод - после истечения из сопла появившийся сгусток газа расширяется в вакууме в виде струи сложной формы, движется в вакууме космоса самостоятельно, ведет свободную жизнь и больше никак не воздействует на камеру нагрева и сопло.

  4. Модель импульсного теплового двигателя.

  4.1. Рассмотрим модель импульсного теплового двигателя, находящегося в вакууме космоса и теплоизолированного от прочих элементов, согласно рис.2.

  Рис.2

1-светопрозрачная стенка камеры нагрева; 2-непрозрачное дно камеры; 3-рабочее тело; 4-выпускной клапан; 5-источник нагрева; 6-поток излучения; 

Принимаем в качестве рабочего тела - газ с высокой излучательной способностью (например, тяжелый многоатомный газ), при этом стенки камеры нагреты. Рассмотрим варианты работы такого двигателя: 

1) В начальный момент импульсом энергии (электрический разряд и т. п.) нагрели рабочее тело в камере нагрева до температуры ТГ  ~  3000 К и тут же открыли выпускной клапан. Тогда рабочее тело в виде горячего газа истекает из камеры, имея среднюю скорость VГ и создавая импульс силы  JГ (количество движения). Просто и понятно, все логично!

2) Предварительно надвинем съемный непрозрачный экран на светопрозрачную камеру нагрева. Затем нагрели рабочее тело до ТГ ~ 3000 К и оставили его в камере. При этом горячий газ излучает поток электромагнитных волн, проходящих через светопрозрачную стенку камеры и попадающих на светоотражающее покрытие непрозрачного экрана. И этот экран эффективно отражает эти волны, возвращая в объем камеры до 98-99% излучаемой тепловой энергии газа. Однако через некоторое время tИ открывают выпускной клапан и горячий газ с температурой ~ 0,9-0,97 ТГ истекает из камеры, создавая импульс силы, соответствующей этой температуре, и близкой по импульсу  к варианту по 1).

3) Удаляем съемный непрозрачный экран с камеры нагрева. Затем импульсом энергии нагрели рабочее тело до ТГ ~ 3000 К и оставили его в камере. При этом за счет теплового излучения (камера в вакууме, причем теплоизолирована) через светопрозрачную стенку камеры происходит интенсивное охлаждение газа, например, за время tИ  рабочее тело охлаждается до ТХ ~ 600 К, И только после этого охлаждения выпускной клапан открывается и холодный газ истекает в вакуум. Такой холодный газ имеет среднюю скорость V Х  и создает импульс силы J Х.

  При этом для газа соотношение скоростей и импульсов силы пропорционально  отношению √ (ТГ / ТХ ) (в первом приближении), то есть, в данном примере с ТГ ~ 3000 К и Т Х ~ 600 К импульс силы от горячего газ JГ в ~ 2,2 раза больше импульса силы холодного газа J Х. И это реальный физический и технический факт (который подтвердит любой специалист или учебник). Все логично и понятно, вопросов нет!

  Однако здесь есть физический аспект, о котором обычно молчат.

  Тепловое излучение газа идет в виде потока электромагнитных волн, света, имеющего скорость света с = 3 . 105 км/с, при этом импульс силы такого излучения JИ в ~ 2с/V ~ 105- 106  раз меньше импульса силы истекающего газа при одинаковой энергии. Таким образом, при охлаждении газа с ТГ  до ТХ  удаляется энергия (ТГ  - ТХ ) в виде теплового излучения с импульсом JИ. При этом JГ > JХ, а JИ << J Х и J И << J Г, причем J Г – J Х >> J И (разница в 105 раз),или иначе J Х < J Г – J И. Таким образом, излучение энергии рабочим телом в космос в виде потока электромагнитных волн с ничтожно малым импульсом J И  приводит к значительно более мощному (на  5 порядков) падению импульса силы рабочего тела с  JГ до  J Х (при одинаковой энергии потока излучения и уменьшения тепловой энергии газа).

  А - у, где здесь закон сохранения количества движения!? Реальная физическая картина мира намного сложнее, чем простая модель в физике, где существует теоретический закон сохранения количества движения. И ни один физик-теоретик не объяснит внятно, почему закон сохранения количества откровенно и нагло не выполняется в вышеприведенном примере. Подчеркнем, что уменьшение импульса силы при истечении газа с разными  температурами ТГ  и ТХ - это реальный физический и технический факт, как и то, что падение импульса силы достигается с помощью удаления энергии теплового излучения с ничтожно малым импульсом силы JИ << JГ – JХ. Таким образом, имеем физический "излучательный газодинамический парадокс"(ИГП) (название, предлагаемое автором).

  Заметим, что взаимодействие атомов газа со стенкой имеет упругий характер, без изменения импульса атомов и  горячей стенки. Также излучение газа носит объемный характер, и каждый атом испытывает множество столкновений с другими атомами (с излучением при этом квантов света) при движении к стенке и до однократного своего  столкновения со стенкой, поэтому излучение газа - основной процесс. Из сопоставления 2-го и 3-го вариантов также видно, что при одинаковом времени tИ  удерживания горячего газа и одинаковом времени воздействия атомов газа на стенки камеры имеем разные температуры и импульсы силы от истечения газа, то есть и здесь главный процесс - тепловое излучение газа (а не процессы столкновения атомов со стенками). Это позволяет сделать вывод, что стенки камеры практически не поглощают разницу импульсов ( JГ – JХ), или иначе - имеем слабое влияние стенок камеры на процесс излучения и истечения газа (максимум влияния - на уровне тонкого эффекта).

  4.2. Возвращаясь к пункту 1, получаем, что в камере имеем физический вакуум плюс обычное вещество - газ плюс тепловое излучение газа в виде потока электромагнитных волн (итого - три типа материи из четырех). Причем сами по себе низкоэнергетические атомы конструкций двигателя (стенки камеры и сопла) и самого КА никак не взаимодействуют с физическим вакуумом, как не взаимодействует и электромагнитное излучение.

  С точки зрения логики получается, что при излучении от газа происходит интенсивное взаимодействие физического вакуума и обычной материи - газа. Тогда - каков механизм этого взаимодействия? В общем, куда девается разница импульсов (JГ – JХ) при излучении всего-то ничтожно малого импульса излучения JИ? Заметим, что для дальнейшего получения JГ­ необходимо снова подвести энергию до уровня температуры ТГ. Получается, что разница импульсов уходит из камеры и никак не проявляет себя, то есть рассеивается в физическом вакууме вне объема камеры нагрева. Иначе, вакуум "съедает" эту разницу импульсов при взаимодействии с потоком газа, или эта разница передается самому вакууму космоса (рассеивается в нем). В общем, это работа для физиков-теоретиков.

  Подчеркнем, что слабое теоретическое объяснение ИГП никак не мешает возможному практическому применению самого парадокса ИГП для технических целей. Напомним, что законы гравитации Ньютон вывел еще сотни лет назад и они широко используются, но даже сейчас физики спорят собственно о природе гравитации (есть несколько теорий).

В частности, возможность изменения полного импульса газового потока за счет теплового воздействия уже давно (десятки лет назад) разработана советскими учеными - газодинамиками, создавшими концепцию "теплового сопла"[6 ]. Однако требования к максимальной простоте ракетных химических двигателей (особенно для военных) привели к полной победе использования геометрического изменения (сужения или расширения) площади потока для увеличения импульса, реализуемого с помощью сопел с изменяющейся площадью (типа сверхзвуковых сопел разной геометрии). И сейчас даже многие специалисты просто забыли о других возможных воздействиях на газовый поток.

  5. Модель импульсного теплового двигателя со свободным сгустком газа.

  5.1. Сделаем следующий шаг по сравнению с пунктом 4.

Итак, согласно рис.2 и п.4.1, имеем непрозрачную стенку камеры нагрева (за счет непрозрачного экрана или сама стенка непрозрачная). Имеем рабочее тело - тяжелый газ, находящийся в камере нагрева, при этом в него добавляют микрочастицы (наночастицы) графита или других тугоплавких соединений, в количестве  0,1...10% от массового расхода газа. Такой "запыленный" поток резко, на один-три порядка повышает излучательную способность газового потока, а малая масса добавок позволяет пренебречь, в первом приближении, их влиянием на газодинамику и ограничиться рассмотрением движения газа.

  Отметим, что в конце участка нагрева внутри камеры получается равновесный тепловой режим с температурой ТГ, при котором тепловое излучение от неподвижного потока газа попадает на горячие стенки камеры и в основном отражается назад в поток газа (за счет светоотражающего покрытия и т. п.).После открытия запорного устройства (выпускного клапана) происходит истечение горячего газа с температурой ТГ и давлением рК  из камеры нагрева в вакуум. Здесь модель истечения газа из сосуда постоянной емкости через отверстие постоянного сечения, и в зависимости от параметров газа и камеры имеем разное время истечения, например, на уровне 10-2 c[1]. Истекший из камеры нагрева горячий газ создаст импульс силы потока

  JГ = m V Г + pКФ F К t;  (1) 

где pКФ - среднее давление в камере во время процесса истечения, со временем истечения t через сечение камеры с площадью FК, со средней скоростью истечения VГ при расходе газа m для импульса истечения газа из камеры.

После истечения получаем горячий сгусток газа, расширяющийся в вакууме в виде струи сложной формы, причем этот сгусток движется в вакууме космоса самостоятельно, ведет свободную жизнь и больше не воздействует на камеру нагрева.

  5.2. Так как же идет свободная жизнь сгустка газа в вакууме? Газодинамика потока согласно условию обращения воздействия имеет вид

  (M 2 - 1)  dV/ V = dF/F - (k-1) dQ НАР /a 2КР.;  (2) 

При этом для дозвукового газового потока отвод тепла и расширение канала потока приводит к замедлению потока. Причем поток газа в замкнутом объеме камеры практически неподвижен, а при истечении в вакуум из неподвижного состояния переходит в поток со звуковой скоростью, однако в силу инерционности процессов такой переход не может проходить мгновенно. Как показали эксперименты в газовой динамике, линия перехода звуковой скорости находится на расстоянии до 25% от диаметра камеры для осевой части потока [5].Здесь же добавляется и инерция субмикронных тяжелых частиц (графита и т. п.), намного более тяжелых и инерционных, чем атомы газа. Еще один важный фактор - мощное тепловое излучение, которое согласно формуле (2) также замедляет дозвуковой поток, причем здесь интенсивное тепловое излучение потока газа свободно уходит в космос. И все эти факторы активно противодействуют перепаду давления между потоком и вакуумом, заставляющего поток ускоряться до звуковой скорости.