Чи може обгрунтовано очікувати, що така радіочастотна порожнина міді має Q> 7000?

Документ Вимірювання імпульсивної тяги із закритої радіочастотної порожнини у вакуумі (H. White та ін., J. Propulsion & Power, листопад 2016 р., Http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) посилається на мідна порожнина незвичайної форми з резонансом близько 1,94 ГГц. Про це описано в цитованому розділі нижче. (подальше читання: /space/tagged/emdrive )

На рис. 4 випливає, що Q цієї порожнини перевищує 7000 (7E + 03). Наскільки я можу сказати, немає жодної думки про незвичайно провідне покриття всередині міді.

Моє запитання стосується надзвичайно високого Q. Я думаю, серед тих, хто має досвід резонансних мідних порожнин ~ ГГц, слід відповісти на це на основі досвіду, не будучи занадто обґрунтованим. Чи може обгрунтовано очікувати, що така радіочастотна порожнина міді має Q> 7000?

Мені цікаво - з приводом 50 Вт, який би був порядок електричних полів всередині? кВ / м? МВ / м? Я можу розірвати це як окреме питання, якщо необхідно.

Приклад будь-якого близького по конфігурації та Q може бути основою "так", а приклад чогось близького по конфігурації, високо оптимізованого та навіть близького в Q, може бути основою відповіді "ні".

B. Стаття тесту

Випробування на резонансний випромінювання РФ - це мідний фрустум з внутрішнім діаметром на великому кінці 27,9 см, внутрішнім діаметром 15,9 см на малому кінці та осьовою довжиною 22,9 см. Випробувальний виріб містить диск із поліетилену товщиною 5,4 см із зовнішнім діаметром 15,6 см, який кріпиться до внутрішньої сторони кінця плоду меншого діаметру. Цифрова антена діаметром 13,5 мм керує системою в режимі TM212 на частоті 1937 МГц. Оскільки не існує аналітичних рішень для резонансних мод усіченого конуса, використання терміна TM212 описує режим з двома вузлами в осьовому напрямку та чотирма вузлами в азимутальному напрямку. Невелика вусикова антена забезпечує зворотний зв'язок із системою фазового блоку (PLL). На малюнку 3 представлена блок-схема основних елементів тестової статті.

вище: Малюнок 4 звідси . Клацніть правою кнопкою миші, щоб відкрити її в окремому вікні, щоб чітко відобразити її як повний розмір, або переглядати вихідне посилання.

вище: "Мал. 14 Конфігурація кріплення тяги вперед (радіатор - це чорний тонкий предмет між тестовим виробом і підсилювачем)." звідси

вище: "Мал. 17 Конфігурація кріплення з нульовою тягою, б) вид збоку" звідси

rf resonance

— Ой-ой
джерело

Якщо Q настільки високий, а вихідна тяга (і, мабуть, потужність) така низька, то чому на кінці мідного відра є кривавий великий радіатор? Куди йде вся сила?

— Енді ака

@Andyaka Це схоже на прекрасний радіатор, який можна використовувати там, де відбувається конвекція. Сором, вони використовують його у вакуумі.

— Ендрю Мортон

@Andyaka Я думаю, що радіатор є на електроніці приводу, а не на резонаторі. Справа в тому, що він робить у вакуумі - інша справа!

— Брайан Драммонд

Відповіді:

Хитрість отримання хорошої мікрохвильової резонансної порожнини Q полягає в тому, щоб мати хороший провідник, плавну обробку, точне вирівнювання, легке з'єднання вхідного сигналу та обмежений мікрофонічний підхоплення.

Дизайн на малюнку виглядає так, що він, можливо, був обмежений мікрофонікою, а потім перероблений для їх усунення. Наприклад, замість вентилятора використовується великий радіатор. Схоже, вирівнювання було б справжньою справою!

Завантажена специфікація Q для резонатора циліндра Keysight Split становить> 20 000 при 10 ГГц. Якщо ви подивитеся на одну з половинок резонатора, ви побачите себе в оздобленні дзеркальної поверхні. Резонатор позолочений та точним алмазним поворотом . Частини виглядають так добре, що вони використовували прозорий пластик для кришок приладів! Дуже незвично для передач Keysight.

Ось докладнішу інформацію про роздільний резонатор циліндра, на випадок, коли хтось зацікавлений:

Вирівнювання проводиться за допомогою кінематичного кріплення, подібного до налаштування дзеркала телескопа. Половинки резонатора потім можна регулювати вперед і назад, зберігаючи вирівнювання. Вибірка вимірювання поміщається в зазор. Зразок змінює Q і резонансну частоту резонатора. Це, поряд із мережевим аналізатором, дозволяє вимірювати діелектричну константу та втрати вибірки. Точність діелектричного вимірювання залежить від наявності резонатора високого Q.

Ось особливості обробки поверхонь з аркуша: "Циліндри - це точний алмаз, обернений Al 6061-T6, покритий 0,5 мкм Cu, 0,25 мкм PdNi та 2,0 мкм Au".

Повне розкриття: я говорю сам за себе, а не про Keysight, хоча я там працюю.

— Том Андерсон
джерело

Ця відповідь дуже корисна, оскільки ви дали багато практичної довідкової інформації. Враховуючи, що в цьому запитанні сказано: "Приклад чогось близького по конфігурації і Q може бути основою" так "...", і це саме те, що ви показуєте тут, я можу припустити, що це розумне очікування, за умови, що хтось знає що хтось робить . Спасибі!

— uhoh

Схоже, що Кійсайт повинен запропонувати зробити Насу кращою, щоб побачити, чи покращений Q покращує тягу ...

— Брайан Драммонд

Зауважте: у цій програмі порожнина та джерело випромінювання сидять над дуже чутливим балансом, і мікро-ньютонські сили виводяться, тому я думаю, що вентилятор був би виключений з самого початку. Розглянемо також назву статті: "Вимірювання імпульсивної тяги із закритої радіочастотної порожнини у вакуумі "

— uhoh

Резонатори Keysight базуються на дослідженні, проведеному NIST, див. Nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Цей аналіз невизначеності від NIST був корисним для розробки продукту. Одне з викликів полягає в розробці фігур, які можна механічно виміряти з великою точністю, щоб механічні вимірювання могли бути пов'язані через модель невизначеності до прогнозування продуктивності НВЧ. Це основа для стандартів калібрування та перевірки НВЧ.

— Том Андерсон

$10^6$ $10^{12}$ (!!!).

Обчислення енергії, що зберігається в усіченій конічній порожнині, є нетривіальною і вимагає інтегрування поперечних магнітних і поперечних електричних полів, обчислених для заданої геометрії, використовуючи рівняння Максвелла. Як це зробити, не виходить за межі цього питання, але існує чудовий покроковий набір та набір рішень диференціальних рівнянь для усіченого сферичного конуса (не зовсім такий, як цей, але досить близький) тут . Насправді, вся ця сторінка - просто чудове написання на цю тему, і я щиро рекомендую її всім, хто зацікавлений забруднитись математикою.

Давайте просто зробимо легку, резонансну порожнину, яка є простим циліндром. Це не зовсім страшна заміна усіченого конуса, я думаю, ти погодишся.

Коефіцієнт Q для такої порожнини:

Q = \frac{2 π f \cdot \frac{мк}{2} \int_{v} Н^{2} г v}{\frac{R}{2} \oint_{с} Н_{т}^{2} г с}

$Q = \frac{2\pi f\cdot \frac{\mu}{2}\int_{v}H^2dv}{\frac{R}{2}\oint_{s}H_{t}^{2}ds}$

і в мене вже є печія, тому я збираюся робити те, що робив би будь-який інженер, а замість цього використовую набагато простіше наближення! Можна показати, що резонансна порожнина матиме Q, який знаходиться в порядку величини:

Q ≅ \frac{2}{δ} \cdot \frac{V}{А}

$Q\cong \frac{2}{\delta}\cdot \frac{V}{A}$

$\delta$ - глибина шкіри при розглянутій резонансній частоті, а V і A - об’єм і площа поверхні порожнини. Іншими словами, співвідношення об'єму порожнини до площі поверхні встановлюватиме досить вузький діапазон факторів Q, які може мати порожнина, незалежно від точної геометрії.

Наразі повинно бути очевидно, що створення простої циліндричної порожнини з міді з Q набагато вище 7000, приблизно як між 10 000 і 100 000. 7000 насправді здається незвично низькою для порожнини, схожої на фотографію. На глибині шкіри, на якій вони знаходяться, гладкість поверхні та недосконалості стають занепокоєнням, тому, якщо якість поверхні всередині буде шаленою, це може призвести до значного падіння Q.

У будь-якому випадку, щоб відповісти на не задане тут питання, а це як ця річ створює тягу .... ну, це зовсім не анамолістично. Здається, це саме правильна величина для очікуваної тяги через нерівномірне випромінювання тепла , як це видно з написаного я зв’язаного раніше. Це створює тягу, і вона буде працювати у вакуумі. На жаль, відносність встановлює досить пригнічувальну межу сили тяги на потужність.

Цей привід ніколи не виробить більше, ніж мікроневітон на кіловат. Це робить його найбільш неефективним і непрактичним засобом космічного руху, доступною реакційною масою чи ні. І не покращиться. Принаймні, такий висновок я зробив, але я хотів би, щоб він був неправильним.

— метаколлін
джерело

Хороший аналіз на Q, і підтримуюча ланка виправдовує очікувану тягу через нерівномірне випромінювання - або випромінювання фотона від ліхтарика у вакуумі - як 3,3uN / kw - як ви пропонуєте. Але повідомлені НАСА вимірювання у вакуумі на порядок вище - близько 1 НН / Вт.

— Брайан Драммонд

Це дуже цікава відповідь, і я знадобиться трохи часу, щоб переглянути посилання. Для рівняння для Q циліндричної порожнини ви можете додати додаткове окреме посилання (у межах відповіді) на сайт, що не стосується космічних кораблів? У мене немає під рукою текстів мікрохвильової пічки. Ви маєте рацію - порядок оцінювання розміру просто непоганий для цілей цього питання. Спасибі!

— uhoh

бічне зауваження: тепер, коли ви познайомили мене з веб-сайтами Грега Егана, напевно, моя продуктивність за останній тиждень. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html

— uhoh

@Brian Drummond hmmm, стара, стара суперечка, де вимірювана тяга була набагато більшою, ніж очікувана сила реакції випромінювання ... Радіометр Крукса. Усунення артефакту "сили радіометра", спричиненого слідовими газами або поверхневими забрудненнями, є нетривіальним, особливо якщо температура поверхні не відрізняється. набагато вище, ніж у весла в легковому заводі. Навіть надзвичайно жорсткий вакуум може виявитися недостатньо хорошим. Експерт у надзвичайно чистих камерах UHV, можливо, міг би це зробити, але краще було б просто поставити прокляту річ у навколишнє середовище з високою орбітою, добре очищеною, а також дозволити їй за кілька тижнів перед тестуванням.

— wbeaty

@wbeaty ... так, якщо спостережуване явище викликає гасіння, можна очікувати, що тяга зменшиться в міру споживання маси реакції гасіння. Ми побачимо ... хоча мені важко буде повірити, що експериментатори NASA ще не вивчили цю гіпотезу.

— Брайан Драммонд