Elektromagnetisk vandkappe eliminerer træk og vågne

Forskere har udviklet et vandkoblingskoncept baseret på elektromagnetiske kræfter, der kunne eliminere et objekts kølvandet. reducerer dets træk kraftigt og hjælper samtidig med at undgå detektion.

Ideen stammer fra Duke University i 2011, da forskere skitserede det generelle koncept. Ved at matche accelerationen af ​​det omgivende vand til et objekts bevægelse, det ville teoretisk være muligt at øge dets fremdriftseffektivitet kraftigt, mens det omgivende hav efterlades uforstyrret. Teorien var en forlængelse af gruppens banebrydende arbejde inden for metamaterialer, hvor et materiales struktur, frem for dens kemi, skaber ønskede egenskaber.

Seks år senere, Yaroslav Urzhumov, adjungeret adjunkt i el- og computerteknik hos Duke, har opdateret teorien ved at beskrive en potentiel tilgang. Men i stedet for at bruge et komplekst system af meget små pumper som oprindeligt spekuleret, Urzhumov henvender sig til elektromagnetiske felter og den tætte koncentration af ladede partikler, der findes i saltvand.

Undersøgelsen vises online i tidsskriftet Fysisk gennemgang E den 7. december, 2017.

"Den oprindelige idé var så stor, at den lokkede kolleger ved Naval Undersea Warfare Center til at hjælpe os med at forfølge den, selvom de var utroligt skeptiske, "sagde Urzhumov, som var blandt de forskere, der arbejdede på det originale papir fra 2011. "Siden da, vi har identificeret en vej til at realisere dette tilsyneladende umulige forslag. "

Kernen i det problem, der behandles, er, at vand er en relativt tyktflydende væske, der, når flyttet, kan lide at trække sine omgivelser med på turen gennem forskydningskræfter. En fisk føler meget tungere at blive trukket gennem vandet end løftet gennem det fri på grund af alt det vand, der slæbes med den.

Udover i det væsentlige at trække ekstra vand, træk kan også øges af, hvordan vand strømmer rundt om et objekt. Et hydrodynamisk objekt med væske, der flyder jævnt langs overfladen, skaber meget mindre træk end et blokeret objekt, der skaber et rod af kaotisk, turbulente strømme i kølvandet.

Løsningen på disse spørgsmål er at flytte vandet af vejen. Ved at accelerere vandet omkring objektet, så det matcher dets hastighed, forskydningskræfter og turbulente strømninger kan begge undgås.

"Der er mange måder at reducere vågne og trække, som at omgive et objekt med bobler med lav friktion, hvilket faktisk gøres med nogle søtorpedoer, "sagde Urzhumov." Men der er kun så meget, du kan gøre, hvis du bare anvender kræfter på overfladen. Denne kappeidé åbner en ny dimension for at skabe kræfter omkring et undervandsfartøj eller objekt, hvilket er absolut påkrævet for at opnå fuld vækkeannullering. "

Urzhumov forestillede sig oprindeligt en slags bindingslignende ramme, der omsluttede et objekt med tynde strukturer og små pumper for at fremskynde dets strømning, da det passerede igennem. Men som tiden gik, han besluttede en mere praktisk tilgang ville være at bruge "magnetohydrodynamiske" kræfter.

Når en ladet partikel bevæger sig gennem et elektromagnetisk felt, feltet skaber en kraft på partiklen. Fordi havvand er fyldt med ioner som natrium, kalium og magnesium, der er mange ladede partikler at skubbe. Ideen er ikke så tosset, som den kan lyde - Japan byggede i 1991 et prototype passagerskib kaldet Yamato 1 ved hjælp af disse kræfter som fremdriftsmiddel, men fandt frem til, at fremgangsmåden ikke var mere effektiv end traditionelle propeller.

I det nye papir, Urzhumov og hans kandidatstuderende, Dean Culver, brug simuleringer af væskedynamik til at vise, hvordan en vandkappe kan opnås ved hjælp af denne fremgangsmåde. Ved at kontrollere hastigheden og retningen af ​​vandet omkring et objekt i bevægelse, simuleringerne viser, at et sådant system kan matche vandets bevægelse inden for kappen til det omkringliggende hav.

Dette ville få det til at se ud til, at vandet inde i kappen er helt stillestående i forhold til vandet uden for kappen, eliminerer træk og vågne. Selvfølgelig, praktiske implementeringer er ikke perfekte, så nogle træk og vågne ville forblive i enhver erkendelse af enheden.

Mens simuleringerne brugte en tilsløringskal halvdelen af ​​selve objektets bredde, beregningerne viser, at skallen teoretisk set kan være så tynd, som du ville have den. Et andet vigtigt resultat var, at kræfterne inde i skallen ikke behøvede at ændre retning, da genstanden satte fart, de ville kun have brug for mere strøm.

"Det er en af ​​de store bedrifter med dette papir, "sagde Urzhumov." Hvis du ikke skal justere fordelingen af ​​kræfter, du behøver ikke nogen elektroniske kontakter eller andre former for dynamisk styring. Du kan indstille strukturen med en specifik konfiguration og simpelthen skrue op for strømmen, når objektet fremskynder. "

Urzhumov siger, at for et egentligt skib eller en ubåd nogensinde skulle bruge en sådan enhed, det ville have brug for en atomreaktor for at drive den, givet de enorme energikrav til at kappe et objekt af den størrelse. Det betyder ikke, imidlertid, at et mindre dieselfartøj ikke kunne drive en mindre tilslagsindretning til at afskærme potentielt sårbare fremspring mod detektion.

Urzhumov siger også, at hans teorier og beregninger har mange potentielle anvendelser uden for havet. Lignende designs kunne bruges til at oprette et distribueret ionfremdrivningssystem til rumfartøjer eller til at undertrykke plasma ustabilitet i prototyper til termonukleære fusionsreaktorer.

"Jeg tror, ​​at disse ideer kommer til at blomstre på flere af disse områder, "sagde Urzhumov." Det er en meget spændende tid. "