Könnte man davon ausgehen, dass ein solcher HF-Kupferhohlraum einen Q> 7000 aufweist?

Die Veröffentlichung Messung des Impulsschubs aus einem geschlossenen Hochfrequenzhohlraum im Vakuum (H. White et al., J. Propulsion & Power, November 2016, http://dx.doi.org/10.2514/1.B36120 ) bezieht sich auf ein ungewöhnlich geformter Kupferhohlraum mit einer Resonanz bei etwa 1,94 GHz. Dies wird im folgenden Abschnitt beschrieben. (Weitere Informationen: /space/tagged/emdrive )

Abb. 4 legt nahe, dass der Q-Wert dieses Hohlraums über 7.000 (7E + 03) liegt. Soweit ich das beurteilen kann, gibt es keinen Hinweis auf eine ungewöhnlich leitfähige Beschichtung im Kupfer.

Meine Frage bezieht sich auf das extrem hohe Q. Ich denke, dass diejenigen, die Erfahrung mit resonanten ~ GHz-Kupferkavitäten haben, in der Lage sein sollten, dies auf der Grundlage von Erfahrungen zu beantworten, ohne dass dies auf einer zu starken Meinung beruht. Könnte man davon ausgehen, dass ein solcher HF-Kupferhohlraum einen Q> 7000 aufweist?

Ich bin neugierig - bei einem Antrieb von 50 W, wie groß wären die elektrischen Felder im Inneren? kV / m? MV / m? Ich kann dies bei Bedarf als separate Frage abbrechen.

Ein Beispiel für etwas Nahes in der Konfiguration und für Q könnte die Grundlage für ein "Ja" sein, und ein Beispiel für etwas Nahes in der Konfiguration, das in hohem Maße optimiert ist und nicht einmal Nahes in Q könnte die Grundlage für eine "Nein" -Antwort sein.

B. Testartikel

Der HF-Resonanztestgegenstand ist ein Kupferstumpf mit einem Innendurchmesser von 27,9 cm am großen Ende, einem Innendurchmesser von 15,9 cm am kleinen Ende und einer axialen Länge von 22,9 cm. Der Testgegenstand enthält eine 5,4 cm dicke Scheibe aus Polyethylen mit einem Außendurchmesser von 15,6 cm, die an der Innenseite des Endes des Stumpfes mit kleinerem Durchmesser angebracht ist. Eine Rahmenantenne mit 13,5 mm Durchmesser treibt das System im TM212-Modus mit 1937 MHz an. Da es keine analytischen Lösungen für die Resonanzmoden eines Kegelstumpfes gibt, beschreibt die Verwendung des Begriffs TM212 eine Mode mit zwei Knoten in axialer Richtung und vier Knoten in azimutaler Richtung. Eine kleine Peitschenantenne liefert eine Rückmeldung an das PLL-System (Phase Locked Loop). Abbildung 3 zeigt ein Blockdiagramm der Hauptelemente des Testartikels.

oben: Abbildung 4 von hier . Klicken Sie mit der rechten Maustaste, um ein separates Fenster zu öffnen und es in voller Größe anzuzeigen, oder klicken Sie auf den ursprünglichen Link.

oben: "Abb. 14 Vorwärtsschub-Montagekonfiguration (Kühlkörper ist ein Gegenstand mit schwarzen Rippen zwischen dem Testgegenstand und dem Verstärker)." von hier

oben: "Abb. 17 Nullschub-Montagekonfiguration, b) Ansicht von der Seite" von hier

rf resonance

— uhoh
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Wenn der Q-Wert so hoch und der Ausgangsschub (und vermutlich die Leistung) so niedrig ist, warum befindet sich dann ein verdammt großer Kühlkörper am Ende des Kupfereimers? Wohin geht die ganze Kraft?

— Andy aka

@Andyaka Das sieht aus wie ein schöner Kühlkörper, den man dort verwenden kann, wo Konvektion stattfindet. Schade, dass sie es in einem Vakuum benutzen.

— Andrew Morton

@Andyaka Ich denke, der Kühlkörper befindet sich auf der Antriebselektronik, nicht auf dem Resonator. Ganz was es in einem Vakuum tut, ist eine andere Sache!

— Brian Drummond

Antworten:

Der Trick, um einen guten Mikrowellenresonanzhohlraum Q zu erhalten, besteht darin, einen guten Leiter, ein glattes Finish, eine präzise Ausrichtung, eine leichte Kopplung des Eingangssignals und eine begrenzte Mikrofonaufnahme zu haben.

Das Design auf dem Bild sieht so aus, als wäre es möglicherweise durch die Mikrofonie eingeschränkt worden, und wurde dann überarbeitet, um sie zu beseitigen. Beispielsweise wird ein großer Kühlkörper anstelle eines Lüfters verwendet. Es sieht auch so aus, als wäre die Ausrichtung eine echte Aufgabe!

Die geladene Q-Spezifikation für den Keysight Split Cylinder Resonator ist> 20.000 bei 10 GHz. Wenn Sie in eine der Resonatorhälften schauen, sehen Sie sich in der Spiegeloberfläche. Der Resonator ist vergoldet und diamantgedreht . Die Teile sehen so gut aus, dass für die Instrumentenabdeckungen klarer Kunststoff verwendet wurde! Sehr ungewöhnlich für Keysight-Ausrüstung.

Hier finden Sie weitere Hintergrundinformationen zum Split Cylinder Resonator, falls sich jemand dafür interessiert:

Die Ausrichtung erfolgt mit einer kinematischen Halterung, ähnlich wie bei einem Teleskopspiegel. Die Resonatorhälften können dann vor und zurück eingestellt werden, während die Ausrichtung beibehalten wird. Eine Messprobe wird in den Spalt gelegt. Die Probe ändert die Güte und die Resonanzfrequenz des Resonators. Zusammen mit einem Netzwerkanalysator können so die Dielektrizitätskonstante und der Verlust der Probe gemessen werden. Die Genauigkeit der dielektrischen Messung hängt von einem Resonator mit hoher Güte ab.

Hier sind die Angaben zur Oberflächenbeschaffenheit aus dem Datenblatt: "Zylinder sind präzisionsgedrehtes Al 6061-T6, beschichtet mit 0,5 μm Cu, 0,25 μm PdNi und 2,0 μm Au."

Vollständige Offenlegung: Ich spreche für mich selbst, nicht für Keysight, obwohl ich dort arbeite.

— Tom Anderson
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Diese Antwort ist sehr hilfreich, da Sie viele praktische Hintergrundinformationen gegeben haben. Wenn man bedenkt, dass die Frage "Ein Beispiel für alles, was in Konfiguration und Q nahe ist, die Grundlage für ein" Ja "sein könnte ..." und genau das, was Sie hier zeigen, kann ich davon ausgehen, dass es eine vernünftige Erwartung ist, vorausgesetzt, man weiß was man tut . Vielen Dank!

— Uhoh

Klingt so, als sollte Keysight der Nasa ein besseres Angebot unterbreiten, um festzustellen, ob ein verbessertes Q den Schub verbessert ...

— Brian Drummond

Hinweis: In dieser Anwendung befinden sich der Hohlraum und die HF-Quelle auf einer sehr empfindlichen Waage, und es werden Mikro-Newton-Kräfte abgeleitet, sodass ein Lüfter von vornherein ausgeschlossen wäre. Beachten Sie auch den Titel der Arbeit: "Messung des Impulsschubs aus einem geschlossenen Radiofrequenzhohlraum im Vakuum "

— uhoh

Die Keysight-Resonatoren basieren auf den von NIST durchgeführten Untersuchungen, siehe nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1354.pdf . Diese Unsicherheitsanalyse von NIST war nützlich für die Produktentwicklung. Eine der Herausforderungen besteht darin, Formen zu entwerfen, die mechanisch sehr genau gemessen werden können, damit die mechanischen Messungen über das Unsicherheitsmodell in eine Vorhersage der Mikrowellenleistung einbezogen werden können. Dies ist die Grundlage für Mikrowellen-Kalibrierungs- und Verifizierungsstandards.

— Tom Anderson

$10^6$ $10^{12}$

Die Berechnung der in einem kegelstumpfförmigen Hohlraum gespeicherten Energie ist nicht trivial und erfordert die Integration der transversalen magnetischen und transversalen elektrischen Felder, die für eine gegebene Geometrie unter Verwendung der Maxwellschen Gleichungen berechnet wurden. Wie zu tun ist , so sprengt den Rahmen dieser Frage, aber es ist ein ausgezeichnete Komplettlösung und Lösung Satz von Differentialgleichungen für ein verkürztes sphärischen Kegel (nicht ganz dasselbe wie das, aber nahe genug) hier . Tatsächlich ist diese ganze Seite einfach ein wunderbarer Beitrag zu diesem Thema, und ich empfehle ihn von ganzem Herzen jedem, der daran interessiert ist, sich mit der Mathematik anzufreunden.

Lassen Sie uns einfach einen einfachen Versuch machen, einen Resonanzhohlraum, der ein einfacher Zylinder ist. Es ist kein schrecklicher Ersatz für einen Kegelstumpf, da sind Sie sich sicher einig.

Der Q-Faktor für einen solchen Hohlraum ist:

Q. = \frac{2 π f \cdot \frac{μ}{2} \int_{v} H^{2} d v}{\frac{R}{2} \oint_{s} H_{t}^{2} d s}

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

und ich habe bereits Sodbrennen, also werde ich tun, was jeder Ingenieur tun würde, und stattdessen die viel einfachere Näherung verwenden! Man kann zeigen, dass ein Resonanzhohlraum ein Q hat, das in der Größenordnung von:

Q. ≅ \frac{2}{δ} \cdot \frac{V}{EIN}

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

$\delta$

Mittlerweile sollte klar sein, dass ein einfacher zylindrischer Hohlraum aus Kupfer mit einem Q von mehr als 7000, eher zwischen 10.000 und 100.000, hergestellt wird. 7000 scheint tatsächlich ungewöhnlich niedrig für einen Hohlraum, der wie der auf den Fotos geformt ist. In der Tiefe der Haut, in der sie sich befinden, werden Oberflächenglätte und Unregelmäßigkeiten zu einem Problem. Wenn die Oberflächenqualität im Inneren schlecht ist, kann dies zu einem deutlichen Abfall des Q führen.

Wie auch immer, um die nicht gestellte Frage hier zu beantworten, wie erzeugt dieses Ding Schub ... nun, es ist überhaupt nicht anamolös. Es scheint genau die richtige Größe für den erwarteten Schub aufgrund ungleichmäßiger Wärmeabstrahlung zu sein , wie aus dem Bericht hervorgeht, den ich zuvor verlinkt habe. Dies erzeugt Schub und es wird in einem Vakuum arbeiten. Leider erzwingt die Relativitätstheorie eine ziemlich deprimierende Begrenzung des Schubes pro Kraft.

Dieses Laufwerk erzeugt niemals mehr als Mikronewton pro Killowatt. Dies macht es zu dem ineffizientesten und unpraktischsten verfügbaren Mittel des Weltraumantriebs, der Reaktionsmasse oder der Reaktionsmasse. Und es wird nicht besser werden. Zumindest ist das die Schlussfolgerung, die ich gezogen habe, aber ich würde es lieben, wenn ich mich als falsch erweisen würde.

— Metacollin
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Eine gute Analyse des Q und der unterstützende Link rechtfertigen den erwarteten Schub durch ungleichmäßige Strahlung - oder Photonenemission von einer Taschenlampe im Vakuum - mit 3,3 uN / kw, wie Sie vermuten. Die von der NASA gemeldeten Messungen im Vakuum sind jedoch um Größenordnungen höher - etwa 1 uN / Watt.

— Brian Drummond

Dies ist eine sehr interessante Antwort, und ich werde mir etwas Zeit nehmen, um den Link zu betrachten. Könnten Sie für die Gleichung für Q eines zylindrischen Hohlraums einen zusätzlichen, separaten Link (innerhalb der Antwort) zu einer nicht raumfahrzeugbezogenen Stelle hinzufügen? Ich habe keine Mikrowellentexte zur Hand. Sie haben Recht - Größenordnungsschätzungen sind für die Zwecke dieser Frage in Ordnung. Vielen Dank!

— Uhoh

Nebenbemerkung: Nachdem Sie mich mit den Greg Egan-Sites bekannt gemacht haben, ist meine Produktivität für den Rest der Woche wahrscheinlich erschöpft. cf gregegan.net/SCIENCE/Bearings/Bearings.html

— Uhoh

@Brian Drummond hmmm, eine alte, alte Kontroverse, bei der der gemessene Schub viel größer war als die erwartete Strahlungsreaktionskraft ... Crookes 'Radiometer. Das Eliminieren des durch Spurengase oder Oberflächenverunreinigungen verursachten Artefakts "Radiometerkraft" ist nicht trivial, insbesondere wenn die Oberflächentemperatur unterschiedlich ist. ist weit höher als die von Paddeln in einer Lichtmühle. Sogar extrem hartes Vakuum kann nicht gut genug sein. Ein Experte für ultrareinige UHV-Kammern könnte das vielleicht tun, aber besser wäre es, das verdammte Ding einfach in eine Umgebung mit hoher Erdumlaufbahn zu bringen, gut zu reinigen und es vor dem Test wochenlang ausgasen zu lassen.

— Wbeaty

@wbeaty ... ja, wenn das beobachtete Phänomen ausgast, kann erwartet werden, dass der Schub abnimmt, wenn die ausgasende Reaktionsmasse verbraucht wird. Wir werden sehen ... obwohl ich es schwierig finden würde zu glauben, dass die NASA-Experimentatoren diese Hypothese nicht bereits untersucht haben.

— Brian Drummond