Замкнутый цикл движения рабочего тела для теплового ракетного двигателя (стр. 1 )

  ЗАМКНУТЫЙ ЦИКЛ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

  Оглавление  главная

Предисловие.  1. Реальная физика движения КА  6. . Теоретическая механика и внешняя среда.  2. Ускорение КА  7.  Модель  импульсного двигателя с замкнутым  циклом 

3. Простейший  классический  ракетный двигатель  рабочего тела 

4. Модель импульсного теплового двигателя  8. Выводы  5. Модель импульсного теплового двигателя со свободным сгустком газа  Литература.  Модель  импульсного двигателя с замкнутым  циклом

  ПРЕДИСЛОВИЕ

  Рассмотрим весьма спорный тип двигателей, в которых рабочее тело имеет замкнутый цикл движения по контуру двигателя, то есть используется многократно с созданием силы тяги двигателя. Этот весьма сомнительный, с точки зрения абсолютного большинства  физиков и других ученых, тип двигателей постоянно возникает в различных изобретениях, ибо уж очень соблазнительный тип двигателя для эффективного ускорения космического аппарата (КА). Скептическое отношение к этим двигателям основано на законе механики, в частности, для идеальной замкнутой механической системы движение центра массы за счет только внутренних сил невозможно. Обзор ряда таких идей по созданию двигателей с замкнутым циклом приведен, например, в [1].

  Здесь автор доказывает возможность создания замкнутого цикла теплового ракетного двигателя, с точки зрения именно СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ при движении КА, использующего ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С КОСМИЧЕСКИМ ПРОСТРАНСТВОМ.                                

  1. Реальная физика движения КА.

  Обращаясь к современной физике, обратим внимание на свойства физического вакуума как основного элемента космического пространства, на основе обзора [2]. Отметим основные свойства: 

1) во Вселенной доминирует вакуум: по плотности энергии он превосходит все другие формы космической материи,  вместе взятые;

2) имеется темное вещество (самое загадочное);

3) имеется обычное вещество (звезды, планеты, люди, вещи.....);

4) имеется электромагнитное излучение или ультрарелятивистская среда.

Основное механическое свойство вакуума - он не может служить системой отсчета. Нет такого прибора, который бы измерил свою скорость относительно вакуума, и его величина тождественно равна нулю: в любой системе отсчета вакуум выглядит абсолютно одинаково. Важное свойство физического вакуума - воздействуя на все тела природы своей антигравитацией, он сам никакому обратному гравитационному воздействию этих тел не поддается. Третий закон Ньютона (обязательный в механике тел) "действие равно противодействию" на него не распространяется. Иначе, у вакуума есть отличная от нуля (и притом отрицательная) активная гравитационная масса, а его пассивная гравитационная и инерциальная масса равны нулю. Отметим, что это относится к физическим условиям, при которых гравитационные поля и все другие поля являются слабыми, то есть к нашей физической среде, к Солнечной системе. И лишь только в очень-очень сильных полях возможна поляризация вакуума и ряд других эффектов, в которых локальные свойства вакуума меняются под столь сильным внешним воздействием. В целом ни галактики, ни даже само время не способны воздействовать на нынешний космический вакуум, и он абсолютно неподвижен, неизменен и вечен [2].

  Значит, при движении КА по физическому вакууму нет никакого прямого силового взаимодействия между ними. Итак - ПРИ  ДВИЖЕНИИ КА НЕТ НИКАКОГО ОБМЕНА ИМПУЛЬСОМ ДВИЖЕНИЯ С ПРОСТРАНСТВОМ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА.

  Поэтому нелепы традиционные (изучаемые в университетах) утверждения, что при движении КА в пространстве происходит взаимодействие, обмен с пространством импульсом движения. Например, типичное утверждение "заключая всю солнечную систему в некую воображаемую оболочку, мы неминуемо придем к заключению, что если КА проникнет за пределы этой оболочки, то вся солнечная система приобретет количество движения, равное и противоположное по знаку тому, которым обладает КА" [3]. Однако благодаря свойствам физического вакуума никакой передачи количества движения нет, и "солнечная система" вообще никак не отреагирует на движение КА.

  Если быть точным, то есть гравитационное взаимодействие между "солнечной системой" и КА, и если КА покинет "солнечную систему", то этот КА потянет за собой "солнечную систему". Однако при этом количество движения "солнечной системы" никак прямо не зависит от количества движения КА, а их гравитационное взаимодействие зависит от массы КА и "солнечной системы" (гравитационное взаимодействие массы КА лишь ничтожная часть от количества движения КА).

  Заметим, что если КА для разгона использует фотонный двигатель, то поток электромагнитного излучения от этого двигателя беспрепятственно пройдет всю "солнечную систему" и даже Вселенную (если не поглотится случайным препятствием) без какого-либо взаимодействия и воздействия на "солнечную систему". Кстати, и сейчас, спустя многие миллиарды лет астрономы регистрируют поток реликтового излучения, движущегося в физическом вакууме космоса, причем это движение осуществляется без какого-либо взаимодействия с вакуумом.

  Таким образом, в реальности современная физика утверждает, что при ускорении КА нет никакого взаимодействия с "солнечной системой", а сам КА движется абсолютно самостоятельно, при этом "солнечная система" не получит никакого количества движения от КА (возможны лишь незначительные гравитационные взаимодействия с планетами и Солнцем).

  2. Ускорение КА.

  Зададимся элементарным вопросом: что ускоряет КА? Физически логично и просто - ускоряет сила тяги двигателя, иначе - преобразование энергии в двигателе в силу тяги. Именно двигатель ускоряет КА! В этом и состоит функция двигателя - создание тяги.

  Однако часто встречается типичное утверждение теоретиков "на основе закона сохранения количества движения можно утверждать, что если КА заключить в воображаемую оболочку, то не может быть получено ускорение по отношению к некоторой внешней системе координат, пока некоторое определенное количество движения не покинет систему, проникнув за пределы оболочки"[3]

  Подчеркнем, что с практической точки зрения ускоряемому КА абсолютно безразлично ("наплевать"), за счет чего (каких физических процессов) двигатель создает силу тяги. Отсюда и возникает логичный вопрос - собственно, почему от ускоряемого КА должно что-то отлетать, покидать систему? ведь создавать силу тяги - это функция двигателя! Если проводить аналогии, то представим такую картину - движется поезд (паровоз плюс вагоны), и из трубы паровоза валит дым. А какой-то умник, теоретик, глядя на этот поезд и на дым из трубы паровоза, пишет научный трактат о том, что для движения поезда необходимо, чтобы дым выходил из поезда. Можно говорить, что теоретики слишком обобщают этот закон сохранения на весь КА, так как он может относиться только к двигателю с функцией создания силы тяги. Давайте все-таки четко разделим конструкцию КА по функциям (деление лошади и телеги, паровоза и вагонов).

  Поэтому, смотря на реальный уровень техники, просто честно признаем, что сейчас ракетные двигатели создают силу тяги за счет отброса массы, что вполне естественно, учитывая простоту таких двигателей при одноразовом использовании ракет военными, которые были и остаются основными заказчиками и потребителями ракет. Причем сейчас источником энергии в двигателях являются химические реакции, которые можно использовать только однократно, и после их использования продукты реакций надо обязательно удалять из двигателя, освобождая место в двигателе для поступления новых порций топлива. Собственно, космическое двигателестроение, ориентированное на длительные источники энергии (типа ядерных), только начинает развиваться, фактически еще "младенец". Поэтому  зависимости работы для одноразового химического топлива с вынужденным выбросом из двигателя продуктов реакции - недопустимо обобщать на все типы двигателей, это просто глупо и нелогично (теоретики явно увлеклись). Например, в результате взаимодействия с полями внешней среды (более подробно рассмотрен ниже в п.6.2) возможно создание силы тяги двигателем и без какого-либо выброса массы из КА из  двигателя.

  Таким образом, можно утверждать, что создание силы тяги - это функция двигателя, и ускоряемому КА абсолютно безразлично, за счет каких физических процессов двигатель создает силу тяги, поэтому для анализа ускорения КА достаточно рассматривать только силу тяги от двигателя, при этом сила тяги зависит только от рабочих процессов самого двигателя.

  3. Простейший классический ракетный двигатель.

  Для напоминания приведем на рис.1 физическую схему для простейшего классического двигателя, работающего в вакууме.

 

  Рис.1  Распределение сил давления на поверхностях двигателя

В двигателе, в камере нагрева происходит выделение энергии и нагрев начального холодного газа (жидкости) с температурой ТХ до горячего газа с температурой ТГ, с последующим истечением горячего газа и созданием силы тяги двигателя. И ключевой элемент - камера нагрева с соплом, где происходит этот главный физический процесс. Все остальное - вспомогательные элементы для получения этого главного процесса. При этом сила тяги в вакууме R равна равнодействующей внутренних сил на стенки элементов двигателя. Подчеркнем - сила  создается только за счет воздействия газа на стенки камеры и сопла. Отметим, что в теоретической механике ключевой является гипотеза близкодействия (контактного взаимодействия), согласно которой частицы изменяют количество движения ТПМ (материальная точка переменной массы) только в момент их непосредственного контакта. Как только отделяющаяся частица получает относительную скорость по отношению к ТПМ, ее воздействие на точку контакта с ТПМ прекращается. При этом ТПМ испытывает удары со стороны этих частиц, обеспечивающие действие сил, называемых реактивными [4].

  Таким образом, поток горячего газа осуществляет прямое и непосредственное воздействие на стенки и дно камеры, и после выхода из камеры какого-либо элементарного объема газа хоть на долю миллиметра, этот объем газа перестает  оказывать воздействие на дно и стенки камеры. То же относится и к истекающему из сопла газу (заметим, что именно поэтому в мире  не появился идиот (теоретик), который бы пытался связать силу тяги и импульс истекшего газа с длиной столба газа от двигателя).