CEAS 2009. Session 11 27 October 2009 Manchester UK. THE EMDRIVE PROGRAMME – IMPLICATIONS FOR THE FUTURE OF THE AEROSPACE INDUSTRY. Roger Shawyer C.Eng. MIET. FRAeS SPR Ltd, United Kingdom sprltd@emdrive.com | CEAS 2009. Манчестер Сеанса 11 27 Октября 2009 ВЕЛИКОБР.. ПРОГРАММА EMDRIVE - СМЫСЛ ДЛЯ БУДУЩЕГО АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
Роджер Shawyer C.Eng. MIET. FRAeS SPR Ltd, Объединенное Королевство sprltd@emdrive.com | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. ВВЕДЕНИЕ. Теоретическая основа электрической технологии буксировки EmDrive теперь получает всемирное принятие. Это следовательно своевременное, чтобы думать вперед в смысл этому очень disruptive технологии на будущем авиакосмической промышленности. ТЕХНОЛОГИЯ EmDrive обеспечивает прямое преобразование электрической энергии, чтобы толкать, используя давление излучения на микроволновых частотах в конической, высокой Q, звучной полости. Впервые, буксировка без потребности в исключающей массе реакции продемонстрирована. Так как теория и экспериментальная работа ясно показывает тем не менее, EmDrive - не машина reactionless. Это подчиняется Последователя ньютона физики производя ускоряющее, усилие реакции противоположное на вектор тяги. Закон сохранения энергии также подчиниться, как хорошо проиллюстрирован применением динамического уравнения тяги на то же высоко Q superconducting маневровый двигатель. Бумага дает итог теории за EmDrive, сопровожденной ответами на наиболее часто заданные вопросы относительно производства чистого усилия, сохранения движущей силы и сохранения энергии. Теория ясно получает уравнения как для статической так и динамической тяги. Восемь летних программ R&D выполнены как государственными ассигнованиями ВЕЛИКОБР. так и частная инвестиция. Проектое программное обеспечение разработано и проверено в течение производства и теста четырех других маневровых двигателей. Программы теста последовательно и многократно дал тягу и размеры ускорения в закрытом соглашении с теоретическими прогнозами. Большой акцент установлен на устраняющем или калибруя любые случайные принудительные данные в течение тестов, и технические сообщения независимо рецензированы государственными и промышленными экспертами. Две других группы, один в Китае и один в США прокладывать в проекты EmDrive. Мы понимаем, что значимый прогресс сделан как в теоретической так и экспериментальной работе, в пределах этих групп. Сообщения также получены работы в продвигать две страны. В ВЕЛИКОБР., которое мы запустили начальные тесты исполнения нашего первого полетного маневрового двигателя. Предположено, что этот маневровый двигатель будет запущен в миссию демонстратора технологии. Хотя EmDrive будет ясно иметь основное влияние на стандартном в-орбитальных приложениях буксировки, основной объект этой бумаги в том, чтобы описать результаты последнего проекта готовиться к Гибриду Spaceplane. Эта машина использует холодный водород, superconducting маневровые двигатели EmDrive, чтобы обеспечивать статический лифт. Ускорение предусмотрено водородом снабдившим топливом стандартный самолет и ракетные двигатели. Результаты множества цифрового анализа показывают замечательное исполнение для других миссий. Эти включают под-орбитальный пассажирский транспорт, Земную орбитальную поставку полезной нагрузки, и Лунную посадку миссии. Этот проектый анализ сопровождался на из первой фазы экспериментальной, superconducting программы маневрового двигателя | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. Понятие микроволнового двигателя проиллюстрировано в фиг 1. Микроволновая энергия попитана из магнетрона, через настроенную подачу на закрытый, конический волновод, чья общая электрическая длина дает резонанс на операционной частоте магнетрона.
Групповая скорость электромагнитной в конечном счете пластины волны большей секции выше чем групповая в конечном счете пластина скорости меньшей секции. Таким образом давление излучения на большей конечной пластине более высокое, что, что на меньшей конечной пластине. Результирующее принудительное различие (Fg1 - Fg2), умножен на Q резонансной сборки. Это принудительное различие поддерживано проверкой классического уравнения силы Лоренца
F = q(E+vB) (1).
Если v заменен групповой скоростью vg электромагнитной волны, тогда уравнение 1 иллюстрирует это если vg1 больше, чем vg2, тогда Fg1 ожидается быть больше, чем Fg2. Тем не менее так как скорости в каждом конце волновод являются значимыми долями скорости света, вывод уравнения различия сил вводит различие в скорости и следовательно должно учесть специальную теорию относительности. Теория Относительности подразумевает, что электромагнитная волна и сборочная форма волновод открытая система. Таким образом различие сил заканчивается тягой, которая действует в сборке волновод. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. ВЫВОД ОСНОВНОГО УРАВНЕНИЯ ТЯГИ. Рассматривайте луч инцидента фотонов на плоском листовом перпендикулярном в луч. Позвольте, чтобы луч имеет площадь поперечного сечения A и полагает, что он будет состоять из n фотонов в единице объема. Каждый фотон имеет энергию hf и путешествия с скоростью c, где h - константа Planck's и f - частота. Мощность в смежном луче - затем
P0 = nhfAc (2).
Движущая сила каждого фотона - hf /c чтобы показатель изменения движущей силы луча на пластине (предположим, общее отражение), - 2nhfA. Приравнивающее это изменение движущей силы в усилие F0 оказывалось на пластине, мы оказываемся
F0 = 2nhfA = 2P0/c (3)
который - классический результат для давления излучения полученного Максвеллом [1]. Вывод данный здесь основан на Cullen [2]. Если скорость луча - v, тогда показатель изменения движущей силы на пластине - 2nhfA(v/c), чтобы усилие Fg на пластине - в этом случае данном
Fg = (2P0/c)(v/c) (4).
Мы теперь полагаем, что луч введет заполненный вакуумом волновод. Волновод заостряет из свободного-космического распространения, с длиной волны l0, в измерения, которые дают длину волны волновод lg и скорости распространения vg. Это - групповая скорость и дана
Затем из (4) и (5) (если mr = er = 1) усилия на пластине, закрывающей конец волновод –
видеть Cullen (p.102 Eq. [15]). Допустите что луч распространиться в заполненный вакуум заострявший волновод с отражающим листовым металлом в каждом конце. Позвольте, чтобы длина волны руководства в конце самого большого сечения будет lg1 и, что в минимальном сечении быть lg2. Затем приложение (6) на каждую пластину дает силы
Теперь lg2 > lg1, из-за различия в сечении, и следовательно Fg1 > Fg2. Следовательно равнодействующая тяга T будет
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. FREQENTLY ЗАДАННЫЕ ВОПРОСЫ. Значительная реакция вызывалась New Scientist cover story в Сентябре 2006, идентифицировавшее три вопроса, которые вызывали наиболее трудности в понимании понятия.
(a) Как чистая тяга может быть произведена? Из (7) может быть видно, что, чтобы расширять тягу, конусный проект должен гарантировать lg1 методы l0 соответствующий приемлемому максимальному измерению. Также lg2 должно достигать бесконечности, которая происходит когда минимальное измерение достигает отключенного предела распространения. Это минимальное измерение должно быть соответствующим допустимому производству и термическим допускам. Результирующий проект должен также гарантировать низкий конусный уклон, чтобы минимизировать осевой компонент боковых сил стены. Эта комбинация мерных ограничений требует итеративный цифровой проектый метод, учитывающее очень не-линейное отношение между радиальными длинами волны измерений и руководства. Это отношение проиллюстрировано в фиг 2.
Ясно, что если минимальное измерение было диаметром выключения, усилие Fg2 должно - нулевым. Тем не менее поскольку там все еще быть значимой небольшой конечной листовой областью, спроецированная область боковой стены не захочет равняться область большой конечной пластины. Таким образом любая попытка, чтобы показывать равнодействующее нулевое чистое усилие из-за выравнивания областей неправильное. Отметьте также, что если силы были механическим результатом рабочей жидкости в пределах закрытой волновод сборки, тогда равнодействующее усилие должно просто ввести механическое напряжение на стены волновод. Это должно явиться результатом замкнутой системы волновод и работы жидкости. В настоящей системе, рабочая жидкость заменена электромагнитной волной, распространяющей близким к скорости света и Последователь ньютона механики должен быть заменен специальной теорией относительности. Есть два эффекта, чтобы быть считавш в приложение специальной теории относительности в волновод. Первый эффект -, что как две силы Fg1 и Fg2 зависимые от скоростей vg1 и vg2, тяга T должна быть вычислена согласно Эйнштейну закона дополнения скоростей данных.
Второй эффект -, что как лучевые скорости не непосредственно зависимые от любой скорости волновод, луч и волновод форма открытая система. Таким образом в конечном счете листовой металл реакций не ограничен в пределах замкнутой системы волновод и луча, но - реакциями между волновод и лучевой, каждый операционный в пределах своего собственного фрейма ссылки, в открытой системе. Из (7) и (5) мы, найдите
где Применение вышеуказанного закона дополнения relativistic скоростей, которое мы получаем
Где показатель коррекции S0
Так, Мы полагаем, что волновод резонирует на частоте микроволнового луча и, что проводящие и dielectric убытки - так что есть обратные пути Q (каждый в мощности P0). Затем общая тяга наконец дана
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (b) Как движущая сила сохранена? Понятие луча и волновод как открытая система может быть проиллюстрирована повышением скорости волновод в направлении тяги, пока значимая доля скорости света не будет достигнута. Пусть vw быть скоростью волновод. Затем так как каждая пластина перемещается с скоростью vw силы на листовой металл, данные уравнением 6, модифицироваться следующим образом:
и
Тяга - затем данное
Решение, чтобы (10) проиллюстрирован в Фиг 3. Отметьте, что, чтобы поддерживать принцип сохранения движущей силы, ускорение волновод из-за тяги, противоположное в фактическом направлении тяги. Таким образом, в Фиг 3, конвенция знака об оси скорости волновод:
Фиг 3. Решение в уравнение 10.
Когда волновод ускорено вдоль вектора ускорения, тяга достигает максимума 1. Тем не менее, так как скорость волновод возрастает в направлении тяги, тяга уменьшится в нуль. Эта точка достигнута когда vgb = vga. Фиг 3 иллюстрирует решение в уравнение 10 для величин vg1 = 0.95 c и vg2 = 0.05c. может быть видно это если vw повышен за величиной 0.7118c, тяга возобновляется. Уравнение 10 иллюстрирует, которым маневровый двигатель является открытой системой, где скорости руководства независимые волновод скорости, и это - относительные скорости, которые вызывают силы. Отметьтесь, что если Эйнштейн закона для дополнения скоростей не был использованными, относительными скоростями должно превысить c, и тяга должна ходить выше теоретического предела 1. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(c) How is energy conserved? We now examine the implications of the principle of the conservation of energy when the thrust is first measured on a static test rig, and then when an engine is used to accelerate a spacecraft. With the microwave engine mounted on a static test rig, all the input power P0 is converted to electrical loss. In this case the Q of the engine may be termed Qu, the unloaded Q. Now e c c u P P P P Q = = where Pc is the circulating power within the resonant волновод and Pe is the electrical loss. From (9) we find c Q D P T u f 0 2 =, Where Df is the design factor ?? ? ? ?? ? ? ? = g g f S D ? ? ? ? Then c P D T c f 2 =. (11) Thus if the circulating power remains constant, for instance in a superconducting resonant волновод, then T will remain constant. This will be important in non spacecraft applications where very high values of Qu could be employed to provide a constant thrust to counter gravitational force. If the engine is mounted in a spacecraft of total mass M and is allowed to accelerate from an initial velocity vi to a final velocity vf in time?t, then by equating kinetic energies we obtain: where Pk is the output power transferred to the spacecraft. From this we obtain ()() i f i f k v v v v M t P +? =? , so that a v M Pk = (12) -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Волновод velocity (Vw/c) Thrust (Tc/2Po) () 2 2 2 i f k v v M t P? =? where v is the average velocity over time?t and a is the acceleration of the spacecraft. Now M.a is the force due to the acceleration of the spacecraft, which opposes the thrust of the engine. Then (13) (14) where Ql is the loaded Q of the engine when it is delivering an output power Pk. The electrical power losses Pe are assumed to be I2R losses and thus for any value of Q, where Pe0 is the loss for Q=1. From the static case, we have so that 0? ?? ? ??? ? = u l e Q Q P P (14) For an accelerating spacecraft, Substitution of (13) and (14) into this last equation then yields (15)
Fig 4 Solution to equation 15.
Fig 4 shows the solution to (15) for values of v up to 10km/sec and for values of Qu equal to 5x103, 5x104 and 5x105. The value of Df is taken to be 0.945. For Df equal to 0.945 and an average velocity of 3 km/s, the specific thrust is obtained from (9) and (15) and is given in fig 5. This illustrates that the specific thrust increases to a maximum of 333 mN/kW at this velocity.
0.2 0.4 0.6 0.8 0 2 4 6 8 10 Average velocity (km/s) Ql/Qu Qu=5E+3 Qu=5E+4 Qu=5E+5 1000 10000 100000 1000000 Unloaded Q Specific thrust (mN/kW) c v D Q P P f l k 0 2 = u e Q P P = e e P Q P = k e P P P + = 0 2 2 = +? ?? ? ??? ? c v D Q Q Q f l u l Fig 5 Specific thrust at 3km/s. | (c) Как энергия сохранена? Мы теперь изучаем смысл принципа сохранения энергии когда тяга - сначала измерялся в статической оснастке теста, и затем когда двигатель использован, чтобы ускорять космический корабль. С микроволновым двигателем установленным в статической оснастке теста, вся входная мощность P0 преобразована в электрический убыток. В этом случае Q двигатель может быть охарактеризован Qu, незагруженный Q. Теперь
где Pc - циркулирующая мощность в пределах резонирующего волновод и Pe - электрический убыток. Из (9) мы находим
Где Df - проектый показатель
Тогда
Таким образом если циркулирующая мощность остается константой, например в superconducting звучном волновод, тогда T останется константой. Это будет важным в не приложениях космического корабля где очень высокие величины Qu могли бы быть применены, чтобы обеспечивать постоянную тягу во встречное gravitational усилие. Если двигатель установлен на космическом корабле общей массы M и позволен ускоряться из начальной скорости vi до конечной скорости vf за время ∆t, тогда приравнивая кинетическую энергию мы получаем:
где Pk - выходная мощность переданная на космический корабль. Из этого мы получаем чтобы -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Скорость Волновод Тяги (Vw/c) (Tc/2Po) () 2 2 2 я f k v v M t P? =? где v - средняя скорость временем?t и - ускорение космического корабля. Теперь M.a - усилие из-за ускорения космического корабля, которое противопоставляет тягу двигателя. Затем (13) (14) где Ql - загруженный Q двигатель когда это доставляет выходную мощность Pk. Убытки электрической энергии Pe приняты, чтобы быть убытками I2R и таким образом для любой величины Q, где Pe0 - убыток для Q=1. Из статического случая, мы имеем чтобы 0? ? ? ?? ? = u l e Q Q P P (14) Для ускоряющего космического корабля, Подстановки (13) и (14) в это последнее уравнение затем сдается (15)
Решение Фиг 4 в уравнение 15.
Фиг 4 показывает решение, чтобы (15) для величин v вплоть до 10km/сек и для величин Qu равный 5x103, 5x104 и 5x105. Величина Df потребовалась, чтобы быть 0.945. Для равняться Df 0.945 и средней скорости 3 km/s, специфической тяги получены из (9) и (15) и даны в фиг 5. Это иллюстрирует, что специфическая тяга возрастает на максимум 333 mN/kW в этой скорости.
0.2 0.4 0.6 0.8 0 2 4 6 8 10 Средняя скорость (km/s) Ql/Qu Qu=5E+3 Qu=5E+4 Qu=5E+5 1000 10000 100000 1000000 Разгрузившее Q Специфическая тяга c (mN/kW) v D Q P P f l k 0 2 = u e Q P P = e e P Q P = k e P P P + = 0 2 2 = +? ? ? ?? ? c v D Q Q Q f l u l Специфическая тяга Фиг 5 в 3km/s.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(d) Is EmDrive similar to anything else? EmDrive is a new class of electrical machine operating at microwave frequencies, and therefore bears little similarity to any other device. However, analogies are sometimes helpful in obtaining a mental picture of operating principles and the following mechanical analogy is offered for consideration. EmDrive can be considered as an "electromagnetic flywheel". As with a mechanical flywheel, a resonant cavity can store energy in the form of momentum. Due to the asymmetric geometry of the EmDrive cavity, the stored momentum can produce a linear force, which if used to accelerate a mass, transfers some of the momentum from the cavity. This transfer results in a loss of Q, and hence a reduction in the force available. However unlike a mechanical flywheel, the cavity is able to store and replace momentum very rapidly. The time constant of, a simple cavity operating at 4 GHz with a Q of 50,000 is 2 microseconds. Thus if acceleration is restricted, as with a large spacecraft being propelled with low thrust, continuous momentum transfer can take place, whilst maintaining the high Q. | (d), EmDrive подобное чему-нибудь еще? EmDrive - новый класс электрической машины, действующей на микроволновых частотах, и небольшом сходстве следовательно медведей на любое другое устройство. Тем не менее, аналогии иногда полезные на получающем умственном изображении обслуживать принципов и следующей механической аналогии предлагают для соображения. EmDrive МОЖЕТ считаться как "электромагнитное маховое колесо". Как и механическое маховое колесо, звучная полость может сохранить энергию в форме движущей силы. Из-за несимметричной геометрии полости EmDrive, сохраненная движущая сила может произвести линейное усилие, какое если использовано, чтобы ускорять массу, передавать некоторую движущую силу из полости. Эта передача заканчивается убытком Q, и следовательно уменьшение в усилии доступном. Тем не менее в отличие от механического махового колеса, полость способная сохранить и заменить движущую силу очень быстро. Константа времени, простая полость, действующая в 4 GHz с Q 50,000 - 2 микросекунды. Таким образом если ускорение ограничено, как и большой космический корабль, двиганный низкой тягой, непрерывная передача движущей силы может произойти, пока поддерживая высокий Q. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОГРАММА. Первый экспериментальный маневровый двигатель был 160 mm диаметра, действующих в 2.45 GHz. Проектый показатель, вычисленный из как-построившее размеры геометрии маневрового двигателя было 0.497. В 2001, программа теста была начата и незагруженный Q 5,900 был измерен. Максимальная тяга, измеренная используя прецизионный баланс было 16mN для входной мощности 850W, которая очень близкая к тяге 16.6mN предсказанной из уравнения (9). Тяга могла бы быть изменена от нуля до максимума изменяя входную мощность, или изменяя звучную частоту маневрового двигателя. Значительные меры были сделаны, чтобы тестироваться для возможных термических и электромагнитных случайных эффектов. Первичный метод должен выполнить все тесты как в номинале так и инвертировавших ориентацию, и, чтобы брать средство результатов. Маневровый двигатель также был заделан в герметическое вложение, чтобы устранять эффекты плавучести охлаждения воздуха. Три других типа оснастки теста были использованы, два мг. решения использования балансов 1 в нейтрализуют оснастку теста и один используя 100 мг. решения баланса в прямом измерении веса маневрового двигателя. Сравнение показателей увеличения тяги для другой весенний константы, использовавшей импульсную входную мощность, давало ясное доказательство, которое тяга была произведена передачей движущей силы и была не из-за любого случайного эффекта "неопределенный". Общая программа теста охватывала 450 прогонов теста периодов вплоть до 50 секунд, использовавших 5 других магнетронов. В 2003, программа разработки Двигателя Демонстратора была начата. В отличие от первого экспериментального маневрового двигателя, Двигатель Демонстратора был оценен для непрерывного действия и требуется, чтобы расширенная проектая работа увеличила специфическую тягу поднимая проектый показатель и разгрузивший Q. двигатель был построен, чтобы действовать в 2.45 GHz, с проектым показателем 0.844 и имеет измеренный максимум Q 45,000 для общего диаметра 280 mm. Микроволновой источник является водой охладившей магнетрон с переменной выходной мощностью вплоть до максимума 1.2 kW. Для того, чтобы получать предсказанную тягу, требуется, чтобы двигатель поддержал стабильный резонанс в этому высоко величины Q. Основные проектые проблемы включали термическую компенсацию, настраивающую управляющее и исходное сопоставление. Двигатель был протестирован в большой статической оснастке теста, применяющей откалиброванный составной баланс, чтобы измерять тягу как в вертикальных так и горизонтальных направлениях. В общей сложности 134 прогона теста были выполнены над полным конвертом исполнения.
Фиг 7. Машинный Статический Тест Данных Демонстратора.
Фиг 7 дает результаты теста для 3 прогонов теста Вертикальной Тяги под теми же входными и условиями тьюнера если бы не векторы тяги в Up, Вниз и Горизонтальные направления. Это ясно иллюстрирует убыток измеренного веса для Up вектора, увеличение в измеренном весе для Вниз вектора, и среднего изменения веса близкого к нулю, для горизонтального вектора. Эти рано, низкий уровень Q, сравнительные тесты давали специфические тяги вокруг 80mN/kW. Фиг 8 показывает результаты для последующего, более высокий Q, тест запускает, с двигателем в балансе и затем с ним приостановленный выше баланса. Это иллюстрирует размеры тяги не подлежали эффектам EMC. Специфическая тяга для этого теста была 214mN/kW.
Фиг 8. Электромагнитная Совместимость (EMC).
Фиг 9. Двигатель Демонстратора в Динамическом Тесте.
Двигатель был затем установленное в динамической оснастке теста, приспосабливающейся это, чтобы быть "запущенное" в ротационном воздушном влиянии, как показано в фиг 9. Тесты имитировали двигатель, перемещающий 100Kg космический корабль в невесомых условиях. Программа теста включала ускорение и замедление работает в как направлениях, так и подтвердившее, что уровни тяги измерялись в статических тестах.
Фиг 10. Динамический тест происходит.
Фиг 10 дает результат типичного теста запускать, где Двигатель Демонстратора производил тягу 10.4 gm против откалиброванного фрикционного вращающего момента 7.1 gm. Входная мощность была 421W, дающий специфическую тягу 243 mN/kW. Частотная кривая смещения показывает, что термический дрейф начального магнетрона заканчивается с частотной блокировкой. В этой точке, 130 сек в тест работают, данные скорости показывает начало ускорения под мощностью. Предшествующий термический постепенный период, без ускорения, показывает, что тяга не является результатом случайных термических эффектов. Когда мощность выключена, в 210 сек, есть береговой период как эффекты слякоти 5kg охладителя поддерживают сокращенное ускорение. Это следует за замедлением из-за фрикционного вращающего момента. Максимальная скорость 2cm/s была достигнута и общее расстояние 185cm "было полетано". Направление ускорения было противоположным в направлении тяги, таким образом заключительно доказывающей, что двигатель подчиняется Ньютон законов, и, что хотя никакая масса реакции не извлечена, двигатель не является машиной reactionless. Электрическая реакция происходит между волной EM и поверхности рефлектора резонатора, заканчивающимися входным изменением полного сопротивления с ускорением. Это виден на силовой кривой в фиг 10. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. ПОЛЕТНАЯ ПРОГРАММА МАНЕВРОВОГО двигателя. Программа маневрового двигателя Полета покрывает проект и разработку 300 Ленточных полетных маневровых двигателей Watt C. Это имеет определенную тягу 85 mN, и масса измерений 2.92Kg. Комбенизона - 265mm диаметр в baseplate и высота 164mm. Маневровый двигатель предназначен быть усиленн чтобы существовать полет квалифицировавший TWTAs, который управлялся с двойного излишнего частотного устройства генератора (FGU) FGU включает частотный управляющий цикл, использовавший обратную связь сигнализирует из маневрового двигателя, как показано на функциональной блочной диаграмме полного Полетного Двигателя Фиг 11.
Фиг 11. Полетные Машинные Блочные изоляторы Маневрового двигателя Диаграммы TWTAs FGU
Используя полетный проект модели как отправной пункт, две линии разработки будут сопровождены.
Управление Вектора Тяги. Единственная плоскость, 360 градусных, указывать механизма будут разработаны и квалифицированы, чтобы приспосабливаться набор 4 маневровых FM двигателей, каждый установленный в механизме, один на каждой боковой панели космического корабля, чтобы выполнять полные 3 функции оси AOCS с необходимой избыточностью. Так как нет ограничений пера, механизм может быть установлен на космическом корабле, таким образом снижая спецификацию среды. С каждым маневровым двигателем orientated вдоль той же оси, первичной буксировки для орбитального изменения середины измерившее спутников доступно.
Высокое действие Мощности. Устанавливая маневровый двигатель внешно на космическом корабле, на более низкой панели где ABM нормально установлен, набор высоких силовых маневровых двигателей может обеспечить первичную буксировку для LEO на ГЕО передачу больших спутников. Высокая силовая оценка 3.5kW за маневровый двигатель может быть достигнута обновлением проекта, вместе с дополнением излучающих плавников. Это должно производить целевую статическую тягу 1N за маневровый двигатель. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7.SUPERCONDUCTING DEMONSTRATOR PROGRAMME. The first phase of this programme was an experimental superconducting thruster. This low power, HTS device operates at liquid nitrogen temperature, and is designed for very high Q and consequently high specific thrust.
Fig 12 Experimental Superconducting Thruster.
Fig 12 shows the thruster, which operates at 3.8 GHz, and was designed using an update of the software used for the previous S band designs. Super-conducting surfaces are formed from YBCO thin films on sapphire substrates. Small signal testing at 77 deg K confirmed the design, with a Q of 6.8x106 being measured. Fig 13 shows the surface resistivity of the superconducting thruster based on specified manufacturer’s data, updated for the measured data.
Fig 13 Surface Resistivity.
For the Demonstrator Thruster, cooling will be by liquid hydrogen. The design resistivity at 20deg K is therefore taken as 11.8 x 10-6 Ohms. This value was then used in the same design software used for the experimental 2G thruster. The resulting thrust was calculated as 143kg for 6kW input. A design study was then undertaken on a simple 500kg unmanned Demonstrator Vehicle, illustrated in Fig 14. The basic vehicle consists of a 700 litre horizontal liquid hydrogen tank, supported by four lift engines. A lift engine is based on the Demonstrator Thruster in a 5 litre dewar, mounted on a 2 axis +/- 30 degree gimbal mechanism. Two 3kW Travelling Wave Tubes (TWT) are positioned below the thruster. Mounted below the TWTs are two Electric Power Conditioners (EPC) providing the high voltages to the TWTs.
Rs @ 3.83GHz 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Temp (deg K) Rs (mico Ohms)
The total mass of the lift engine is predicted as 25.2 kg. This was calculated using the measured mass of the experimental thruster, together with scaled masses of a flight TWT and EPC. An attitude control unit using feedback signals from a laser gyroscope is used to maintain the thrust axis vertical over the full gimbal range. A frequency generator and control unit (FGCU) completes the Lift engine. To provide acceleration, the waste hydrogen gas boiled off from cooling the lift engines is used to power a pair of small Jet engines. A hydrogen fuelled motor-generator set is used to provide D.C. power. The jet engines are gimballed in one plane to provide horizontal or vertical thrust. Aerodynamic performance is improved with the addition of two side body fairings. The vehicle which is illustrated in fig 14 has overall dimensions of 3.73m long, 1.91m wide and 1.16m high.
Fig 14 Demonstrator Vehicle.
The design of the vehicle results from iterating a mass, power and thrust analysis with inputs from four mission analyses. The mass, dimensions and performance of the jet engines are scaled from the data available for the AMT Titan UAV engine. The power generator is based on an uprated ROTAX 503 aero engine driving a high speed 36 kW alternator. From the dynamic thrust equation, (equation 15), it is clear that if the lift engine is used to accelerate the vehicle upwards, then at the high Q values obtained with superconducting thrusters, thrust will decrease rapidly. This is illustrated for the Demonstrator Vehicle in Fig 15.
0.1 1 10 100 1000 Average Velocity (m/s) Total Lift Thrust (kg) Fig 15 Dynamic thrust.
For 6kW of microwave input power at each thruster, the total lift thrust is 573kg. Thus for an estimated total vehicle mass of 477kg, the vehicle would start to accelerate upwards. However as the average velocity goes above 1m/s, the lift thrust approaches the vehicle mass, and acceleration stops. This is simply the principle of the conservation of energy at work, with energy used to accelerate the vehicle being lost from the stored energy in the thruster, hence lowering the Q. Clearly, to achieve a useful rate of climb, the jet engines need to be rotated to give vertical thrust and the lift engine operation needs compensation to avoid losing stored energy. A method of compensation has been established theoretically, and one of the main objectives of the Demonstrator Vehicle programme will to be to show this compensation in operation. The flight envelope was investigated by running 4 numerical mission analyses. These gave a maximum rate of vertical ascent of 52m/s (170ft/s) and a maximum speed of 118m/s (230 knots) at a maximum altitude of 12.6km (41,300ft). If the altitude is restricted to 1.34km (4,400 ft) then a full liquid hydrogen fuel load will give a maximum range of 97km (60 miles). It is estimated that this very simple vehicle, using four, liquid hydrogen cooled, versions of the experimental thruster, could begin flight trials in 3 years time. | 7. ПРОГРАММА ДЕМОНСТРАТОРА SUPERCONDUCTING. Первая фаза этой программы была экспериментальным superconducting маневровым двигателем. Эта низкая мощность, устройство HTS действует в жидкой температуре азота и разработан для очень высокой Q и следовательно высокой специфической тяги.
Маневровый двигатель Фиг 12 Experimental Superconducting.
Фиг 12 показывает маневровый двигатель, который действует в 3.8 GHz и был разработан используя коррекцию программного обеспечения использовался для предшествующих ленточных проектов S. Супер поведение поверхностей сформированы из тонких плёнок YBCO на подложках сапфира. Небольшой сигнал, тестирующийся в 77 deg K подтвердившее проект, с Q 6.8x106 измеренного. Фиг 13 показывает поверхностный resistivity superconducting маневрового двигателя основанного в определенных данных изготовителя, скорректированного для измеренных данных.
Поверхность Фиг 13 Resistivity.
Для Маневрового двигателя Демонстратора, охлаждение будет жидким водородом. Проектый resistivity в 20deg K следовательно взят как 11.8 x 10-6 Омов. Эта величина была затем использованное в том же проектом программном обеспечении использованном для экспериментального маневрового двигателя 2G. Результирующая тяга была вычислена как 143kg для ввода 6kW. Проектый анализ был затем предпринятое в простой 500kg автоматической Машине Демонстратора, проиллюстрированной в Фиг 14. Основная машина состоит из 700-литрового горизонтального бака жидкого водорода, окружённого четырьмя двигателями лифта. Двигатель лифта находился в Маневровом двигателе Демонстратора в 5-л дьюаре, установлен на 2 осях +/- 30 степеней gimbal механизм. Два 3kW, путешествующий Волновые Ванны (TWT) спозиционированы ниже маневрового двигателя. Установленное ниже TWTs - два Формирователя ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (EPC) обеспечивая высокое напряжение на TWTs. Общая масса двигателя лифта предсказана как 25.2 kg. Это был вычислен используя измеренную массу экспериментального маневрового двигателя, вместе с масштабированными массами полета TWT и EPC. Управляющее устройство отношения, использовавшее обратную связь сигнализирует из лазерного гироскопа использован, чтобы поддерживать ось тяги вертикальную над полным gimbal дипазоном. Частотный генератор и управляющее устройство (FGCU) завершает двигатель Лифта. Для того, чтобы обеспечивать ускорение, водородный газ отходов вскипяченный из охлаждения двигателей лифта использован в мощность пара небольших Реактивных двигателей. Водород снабдивший топливом двигатель-генератора установки использован, чтобы обеспечивать мощность D.C.. Реактивные двигатели gimballed на одну плоскость, чтобы обеспечивать горизонтальную или вертикальную тягу. Аэродинамическое исполнение улучшено дополнением двух боковых тел fairings. Машина, которая проиллюстрирована в фиг 14 имеет общие измерения 3.73m длинные, 1.91m широкие и 1.16m высоко.
Машина Демонстратора Фиг 14.
Проект машины происходит чтобы повторять массовый, силовой и анализ тяги с вводами с четырех анализов миссии. Масса, измерения и исполнение реактивных двигателей масштабированы из данных доступных для двигателя AMT Titan UAV. Силовой генератор основан в завышенном аэро двигателе ROTAX 503, вращающем 36-kW генератор переменного тока. Из динамического уравнения тяги, (уравнение 15), ясно, что если двигатель лифта использован, чтобы ускорять машину вверх, тогда в высоких величинах Q полученных superconducting маневровыми двигателями, тяга уменьшится быстро. Это проиллюстрирован для Машины Демонстратора в Фиг 15.
Динамическая тяга Фиг 15.
Для 6kW микроволновой входной мощности в каждом маневровом двигателе, общая тяга лифта - 573kg. Таким образом для предполагаемой общей массы машины 477kg, машина должна начинать ускоряться вверх. Тем не менее так как средняя скорость идет вышеуказанный 1m/s, тяга лифта достигает массы машины, и стоп ускорения. Это - просто принцип сохранения энергии в работе, с энергией использованной, чтобы ускорять машину, терянную из загруженной энергии в маневровом двигателе, следовательно уменьшая Q. Ясно, чтобы достигать полезного показателя подниматься, реактивные двигатели должны быть вращаны, чтобы давать вертикальную тягу и машинной операции лифта нужно компенсация, чтобы избегать терять загруженную энергию. Метод компенсации устанавливается теоретически, и одна из основных целей программы Машины Демонстратора пожелают должно показывать эту компенсацию во время работы. Полетный конверт был исследован прогоном 4 цифровых анализа миссии. Эти давали максимальный показатель вертикального восхождения 52m/s (170ft/s) и максимальная скорость 118m/s (230 узлов) в максимальной высоте 12.6km (41,300ft). Если высота ограничивается 1.34km (4,400 футов), тогда полная жидкая водородная загрузка топлива даст максимальный дипазон 97km (60 миль). Оценено, что эта очень простая машина, использовавшая четыре, холодный жидкий водород, версии экспериментального маневрового двигателя, могли бы начать полетные испытания в течение 3 времен лет. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 8. ГИБРИД SPACEPLANE. Следуя за завершением анализа Машины Демонстратора, проектое упражнение было выполнено, чтобы исследовать потенциал для применения superconducting маневровые двигатели на большой универсальный spaceplane. Основного Hybrid Spaceplane понятия (HSP) является транспортной машиной VTOL, использовавшей восемь EmDrive поднимают двигатели, два водорода снабдивших топливом реактивные двигатели с вертикальным лифтом deflectors и вплоть до шести водорода/ кислорода снабдивших топливом ракетные двигатели. Электрическая энергия должна быть предусмотрена двумя спросом ячеек топлива на вареный-водородный газ из двигателей лифта, и жидкого кислорода. HSP Предназначен нести ряд полезных нагрузок, и анализ выполнен для следующих миссий: a) пассажирский транспорт Длинного расстояния, использовавший под орбитальный полет. b) поставка полезной нагрузки LEO, использовавшая дополнительные орбитальные двигатели и бензобак. c) поставка ГЕО полезной нагрузки, использовавшая дополнительные орбитальные двигатели и бензобак. d) Лунная поставка посадки и полезной нагрузки.
Фиг 16 Hybrid Spaceplane. Под-орбитальная Конфигурация.
Фиг 16. иллюстрирует носителя HSP с суборбитальной полезной нагрузкой очерченной красным. Общие измерения - 35.5m длинные, 13.3m широкие и 7m высоко. Транспортная сухая масса - 61.1 Тонны. Максимальная нагрузка топлива, жидкого водорода (LH2) и жидкого кислорода (СЕМГА) - 190.5 Тонн. Анализ Миссии показал, что максимальная масса полезной нагрузки, которая может быть понесена, - для ГЕО миссии, где общая масса 63 Тонн может быть поставлена на орбиту. Это включает массу орбитального двигателя и бензобака. Это дает максимальную массу запуска 314.6 Тонн и требование лифта EmDrive 78.7 Тонн за двигатель лифта. Ракетные двигатели установлены в парах и может быть любой комбинацией любых двигателей восхождения, с тягой 2 тонн каждый или орбитальные двигатели, с тягой 20 тонн каждый. Отметьте, что полные 2 для 1 избыточности предусмотрены для всех транспортных систем буксировки, как квалификация с ручным управлением статуса потребовалась, по крайней мере для суборбитальной миссии. Проект авиационной конструкции для HSP основан в простом космическом фрейме с легкими панелями (главным образом плоскими). Нет требования для высокого механического или термического напряжения в транспортной машине HSP. Анализ миссии показывает самый верхний g уровень, чтобы быть 0.58 g и максимальная скорость в воздухе, чтобы быть 180 km/hr. Тем не менее проект аэродинамический (коэффициент лобового сопротивления оценен в 0.35) и машина способная скользить посадку в аварийной ситуации. Управляющие поверхности для этой ситуации предусмотрены двойным плавником и tailplane конфигурацией. 2m Масштабная модель космической плоскости построена для аэродинамических исследований и проиллюстрирована в фиг 17.
Фиг 17. 2m масштабная модель spaceplane.
Каждая миссия подвергалась цифровому анализу, чтобы вычислять ускорение, скорость, высоту и расстояние из тяги, помехи и массовых данных в течение приращений времени через каждую фазу миссии. Результаты анализа были затем использованы, чтобы итеративно оптимизировать проект spaceplane. Результаты анализа миссии даны в таблице 1.
Таблица 1. Результаты Анализа Миссии
Лондон в Сидней под-орбитальная миссия начинает с вертикального требоваться-с spaceplane в горизонтальном отношении. Лифт предусмотрен маневровыми двигателями EmDrive и вертикальным ускорением реактивными двигателями. В 12km высоте, ракетные двигатели восхождения сожжены, чтобы поддерживать подниматься в высоту круиза 96km В этой высоте, орбитальные двигатели сожжены, чтобы ускорять spaceplane в скорость круиза 4km/s. В 90 минутах в полет, замедление начинает, использование двигателей лифта в тормозящем режиме. Отметьтесь, что когда использовано для замедления, двигатели лифта EmDrive не подлежат динамическому ограничению тяги, так как никакая энергия не теряется из загруженной энергии в звучной полости. Склон и вертикальная посадка управлялись как двигателями лифта так и реактивные двигатели. Две Земных орбитальных миссии используют транспортную машину, чтобы достигать высоты выше необходимой орбитальной высоты. Дефект и посадка фаз подобные под-орбитальной миссии, с фазой восхождения расширенной пока необходимая высота не будет достигнута. Машина полезной нагрузки, включающая полезную нагрузку, ракетные двигатели, и бензобак, - затем брошенное из транспортной машины и двигатели зажжены. Для миссии LEO, два 100 тонных двигателей тяги потребовались, пока для ГЕО миссии только один использован. Для этих миссий, транспортная машина spaceplane может быть рассмотрена как "космический элеватор без кабеля". Лунная посадка анализа иллюстрирует драматические улучшения возможные для будущих миссий. Земная орбитальная фаза круиза распространена на расстояние где машина входит в влияние gravitational луны. Двигатели лифта - затем использованное, чтобы управлять склоном на Лунную поверхность. Точная посадка позиции может быть достигнута использованием gimballed двигателей восхождения для горизонтального и вертикального перемещения, пока двигатели лифта обеспечивают реять. Лунный требоваться-использует 20 тонных двигателей тяги, чтобы достигать обратной скорости, с двигателями лифта использованными, чтобы управлять замедлением и склоном на Землю атмосферы. Сажающая фаза подобная предшествующим миссиям. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
9. CONCLUSIONS. The theory and principles of operation of EmDrive have been given, together with the derivation of the equations used to predict performance. The development of the theory and its verification have been supported by a lengthy experimental and demonstrator programme in the UK. Some results from this programme have been given. This theoretical and experimental work has been independently verified by groups working outside Europe. It is therefore confidently predicted that within a few years, the use of first generation EmDrive technology will provide significant improvements in mission performance, for all space applications. It is important that Europe does not lose out in this field. However the major impact of this technology will occur in the aircraft industry when second generation superconducting EmDrive thrusters are used as a lift engines in hybrid air and space vehicles. Once the requirement for aerodynamic lift, or ballistic trajectory, is removed from air transport or space vehicles, mission analysis has to be re-thought. The design studies for an early Demonstrator Vehicle and a future Spaceplane have shown that small VTOL vehicles, using simple low stressed airframe design, could capture the personal transport market. The combination of the commercial microwave industry and a future automobile industry, with liquid hydrogen storage and fuel cell capability, would render the existing short and medium haul aircraft industry redundant. The future of the aircraft industry would then rely on the high speed long distance suborbital spaceplane. However this requires no improvement in existing airframe design, other than an ability to operate in vacuum. No high velocity in the atmosphere is required, and the vehicle is not subject to high g forces or extreme thermal environments. London to Sydney in under 3 hours, using hydrogen fuel could be a reality in under 10 years, although it may not be a European vehicle that demonstrates this. VTOL is of course part of the attraction of all EmDrive based applications. Finally, the need to refocus the aircraft industry in the face of these technology changes, will also lead to space applications becoming important. Solar Power Satellites form a large future market, which clearly requires low cost access to GEO. The Hybrid Spaceplane will finally make this industry financially viable, and at the same time provide an answer to the global need for a green energy source. | 9. ВЫВОДЫ. Теория и принципы действия EmDrive даны, вместе с выводом уравнений использованных, чтобы предсказывать исполнение. Разработка теории и проверки поддерживана длительной экспериментальной и программой демонстратора в ВЕЛИКОБР.. Некоторые результаты из этой программы даны. Эта теоретическая и экспериментальная работа независимо проверена группами, прокладывающими внешнюю Европу. Это следовательно уверенно предсказано это в течение нескольких лет, использование первой технологии поколения EmDrive обеспечит значимые улучшения в исполнении миссии, для всех космических приложений. Важно, чтобы Европа не терялась в этой области. Тем не менее основное влияние этой технологии произойдет в авиационной промышленности когда поколение секунды superconducting маневровые двигатели EmDrive использовано как двигатели лифта в гибридном воздухе и космических машинах. Как только требование для аэродинамического лифта, или баллистической траектории, будет удален с авиатранспорта или космических машин, анализ миссии должен быть см.- подуманн. Проект готовится к ранней Машине Демонстратора и будущее Spaceplane показало, что небольшие машины VTOL, использовавшие простой низкий уровень выделял проект авиационной конструкции, могли бы захватить персональный рынок транспорта. Комбинация коммерческой микроволновой промышленности и будущая промышленность автомобиля, с жидким водородным хранением и способность ячейки топлива, должна предоставлять существующую короткую и среднюю транспортировку авиационную промышленную излишнюю. Будущее авиационной промышленности должно затем доверяться на высокоскоростное длинное расстояние суборбитального spaceplane. Тем не менее это не требует никакое улучшение в, существующий проект авиационной конструкции, кроме способности действовать в вакууме. Никакая высокая скорость в атмосфере не потребовалась, и машина не подлежит высоким g силам или крайним термическим средам. Лондон на Сидней в под 3 часы, использовавший водородное топливо мог быть действительностью в под 10 годами, хотя это не может быть Европейской машиной, которая демонстрирует это. VTOL - конечно часть притяжения всего EmDrive основавшего приложения. Наконец, необходимость на refocus авиационная промышленность этих изменений технологии, также проведет к космическим приложениям, становящимся важными. Солнечные Силовые Спутники формируют большой будущий рынок, который ясно требует низкий уровень стоящий доступа к ГЕО. Гибрид Spaceplane наконец сделает этой промышленностью финансово жизнеспособной, и в то же самое время обеспечивает ответ на глобальную потребность в зеленом энергетическом источнике. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ACKNOWLEDGEMENTS. The author is grateful for the assistance given by colleagues in SPR Ltd, by Dr R B Paris of Abertay University, Dundee, by J W Spiller of Astrium UK Ltd and by Professor J Lucas of The University of Liverpool. The early theoretical work and experimental programmes were carried out with support from the Department of Trade and Industry under their SMART award scheme, and then under a Research and Development grant. Recent programmes have been funded by substantial shareholder investment. | ПОДТВЕРЖДЕНИЯ. Автор благодарный для помощи данной коллегами в SPR Ltd, Парижом Dr R B Abertay Университета, Dundee, Источником утечки J W Astrium ВЕЛИКОБР. Ltd и Professor J Lucas Университета Ливерпуля. Ранняя теоретическая работа и экспериментальные программы были выполнены поддержкой из Отдела Торговли и Промышленности под их УМНОЙ схемой награды, и затем под даром РАЗРАБОТОК. Последние программы профинансированы надежной инвестицией акционера. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
REFERENCES. 1. MAXWELL J.C. ‘A Treatise on Electricity and Magnetism’ 1st Edition (Oxford University Press 1873) p.391. 2. CULLEN A.L. ‘Absolute Power Measurements at Microwave Frequencies’ IEE Proceedings Vol 99 Part IV 1952 P.100. | ССЫЛКИ. 1. MAXWELL J.C. ' Монография в Электричестве и Магнетизме' 1-е Издание p.391 (Пресса Оксфорд University 1873). 2. CULLEN A.L. 'Абсолютные Силовые Размеры на Микроволновых Частотах' Протоколов IEE Vol 99 Разделяют IV 1952 P.100. |
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 30 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| 2. Find the following word combinations and learn them: | | | Session 11 27 October 2009 Manchester UK. |
(5).
(6)
(7).
Длина волны Руководства Фиг 2 для циклического TMO1 в 2 GHz.
(8)
(9).
(10)
. (11)
(12)
